[논문 리뷰] PEPSI deep spectra. III. A chemical analysis of the ancient planet-host star Kepler-444

Claude E. Mack, K. G. Strassmeier외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 19.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 63인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 R ≈ 250,000에서 PEPSI 데이터를 사용하여 K0V 별 Kepler-444의 고해상도, 고신호대비잡음비 스펙트로스코픽 분석을 수행하여 18개 원소의 광학적 성분 농도를 유도한다. 이는 그 다섯 개인 암석성 행성의 평균 철핵 질량 분율 약 24%를 추정하며, 금속 농도가 낮고 α 증가가 있는 시스템의 지구형 행성은 금속 농도가 높은 시스템의 행성보다 밀도가 낮을 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

We obtained an LBT/PEPSI spectrum with very high resolution and high signal-to-noise ratio (S/N) of the K0V host Kepler-444, which is known to host 5 sub-Earth size rocky planets. The spectrum has a resolution of R=250,000, a continuous wavelength coverage from 4230 to 9120A, and S/N between 150 and 550:1 (blue to red). We performed a detailed chemical analysis to determine the photospheric abundances of 18 chemical elements, in order to use the abundances to place constraints on the bulk composition of the five rocky planets. Our spectral analysis employs the equivalent width method for most of our spectral lines, but we used spectral synthesis to fit a small number of lines that require special care. In both cases, we derived our abundances using the MOOG spectral analysis package and Kurucz model atmospheres. We find no correlation between elemental abundance and condensation temperature among the refractory elements. In addition, using our spectroscopic stellar parameters and isochrone fitting, we find an age of 10+/-1.5 Gyr, which is consistent with the asteroseismic age of 11+/-1 Gyr. Finally, from the photospheric abundances of Mg, Si, and Fe, we estimate that the typical Fe-core mass fraction for the rocky planets in the Kepler-444 system is approximately 24 per cent. If our estimate of the Fe-core mass fraction is confirmed by more detailed modeling of the disk chemistry and simulations of planet formation and evolution in the Kepler-444 system, then this would suggest that rocky planets in more metal-poor and alpha-enhanced systems may tend to be less dense than their counterparts of comparable size in more metal-rich systems.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 스펙트로스코피를 사용하여 고대이자 금속 농도가 낮은 별 Kepler-444의 18개 원소의 정밀한 광학적 성분 농도를 결정하기 위해.
• 별의 화학 조성이 그 다섯 개의 지구보다 작은 암석성 행성의 전체 조성에 제약을 끼치는지 평가하기 위해.
• 금속 농도가 낮고 α 증가가 있는 별이 철 농도가 낮아 더 밀도가 낮은 암석성 행성을 수반할 수 있다는 가설을 시험하기 위해.
• Kepler-444의 스펙트로스코픽 연령 추정치와 항성진동 분석 연령 추정치의 일관성을 평가하기 위해.
• K형 항성에 대해 산소 선을 새로운 스펙트로스코픽 연령 지표로 활용할 잠재성을 탐색하기 위해.

제안 방법

• Large Binocular Telescope의 PEPSI 스펙트로그래프를 사용하여 Kepler-444의 고해상도(R ≈ 250,000) 및 고신호대비잡음비(S/N ≈ 150–550) 스펙트럼을 확보하였다.
• 대부분의 선에 대해 등가폭 방법을, 복잡하거나 겹쳐진 선에 대해서는 스펙트럼 합성 방법을 적용하였다.
• Kurucz 모델 대기와 함께 MOOG 스펙트럼 분 析 패키지를 사용하여 원소 농도를 유도하였다.
• 등기리선 대응(이상) 및 자전주기 기반 연령 추정(이상)을 사용하여 항성 연령을 추정하였으며, 항성진동 데이터와 상호검증하였다.
• 응축물 질량 분율 추정을 위해 단순화된 화학 네트워크(Lodders & Seager 모델)를 적용하였다.
• 철핵 질량 분율을 철 질량 분율을 철과 마그네슘 실리케이트 질량 분율의 합으로 나눈 비율로 계산하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 금속 농도가 낮고 α 증가가 있는 별 Kepler-444에서 핵심 암석 형성 원소(Mg, Si, Fe, O 등)의 광학적 성분 농도는 무엇인가요?
• RQ2 관측된 원소 농도가 응축 온도와 어떻게 상관관계가 있으며, 이는 행성소재 형성에 어떤 함의를 갖는가요?
• RQ3 별의 광학적 성분 농도를 바탕으로 Kepler-444 시스템의 암석성 행성에 대한 예상 철핵 질량 분율은 얼마인가요?
• RQ4 Kepler-444의 스펙트로스코픽 연령은 항성진동 연령 11 ± 1 Gyr와 일치하는가요?
• RQ5 [O i]-6300 및 O i-삼중선이 특히 오래된 시스템에서 K형 항성에 대해 신뢰할 수 있는 연령 지표로 기능할 수 있는가요?

주요 결과

• 고체점성이 높은 원소(T_C > 950 K)에 대해 Kepler-444는 원소 농도와 응축 온도 사이에 상관관계를 보이지 않아, 먼지 탈리나 분획화가 유의미하게 일어나지 않았음을 시사한다.
• 스펙트로스코픽 파arameter와 등기리선 대응을 사용하여 항성 연령을 약 10 ± 1.5 Gyr로 추정하였으며, 이는 항성진동 연령 11 ± 1 Gyr와 일치한다.
• Mg, Si, Fe의 광학적 농도 비율로부터 Kepler-444 시스템의 암석성 행성에 대해 예상되는 철핵 질량 분율은 약 24%로 유도되었다.
• 이 별은 금속 농도가 낮고([Fe/H] ≈ -0.15 dex), α 증가가 있는([α/Fe] ≈ 0.23 dex) 것으로 나타나 두꺼운 디스크 기원과 오래된 연령과 일치한다.
• [O i]-6300 선과 O i-삼중선에서 유도된 산소 농도 간의 일치는 K형 주계열 항성에서 새로운 스펙트로스코픽 연령 지표의 잠재성을 시사한다.
• 중력 침강이 Kepler-444의 초기 금속 농도를 약 0.1 dex 감소시켰을 수 있으며, 이는 광학적 농도가 초기 원반 조성보다 약간 과소평가될 수 있음을 시사한다.