[논문 리뷰] Ross 19B: An Extremely Cold Companion Discovered via the Backyard Worlds: Planet 9 Citizen Science Project

Adam C. Schneider, Aaron Meisner외 28명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 11.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 183인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 Backyard Worlds: Planet 9 시민 과학 프로젝트를 통해 근접한 M형 초상성 Ross 19A의 매우 차가운 T/Y형 백색왜성 형성물인 Ross 19B의 발견을 보고한다. 수정된 BANYAN Σ 형식을 활용한 정밀한 천체운동학적 및 운동학적 분석을 통해 물리적 연관성의 가능성은 100%로 확인되었으며, 이는 Ross 19B가 효과 온도 500+115−100 K, 질량 15–40 MJup인 가장 차가운 알려진 광범위한 분리된 별외행성 형성물 중 하나임을 입증한다. 이는 허블 또는 제임스 웹 우주망원경를 활용한 향후 스펙트럼 특성 분석의 주요 대상이 될 것이다.

ABSTRACT

Through the Backyard Worlds: Planet 9 citizen science project, we have identified a wide-separation ($\sim$10', $\sim$9900 au projected) substellar companion to the nearby ($\sim$17.5 pc), mid-M dwarf Ross 19. We have developed a new formalism for determining chance alignment probabilities based on the BANYAN $\Sigma$ tool, and find a 100% probability that this is a physically associated pair. Through a detailed examination of Ross 19A, we find that the system is metal-poor ([Fe/H]=$-$0.40$\pm$0.12) with an age of 7.2$^{+3.8}_{-3.6}$ Gyr. Combining new and existing photometry and astrometry, we find that Ross 19B is one of the coldest known wide-separation companions, with a spectral type on the T/Y boundary, an effective temperature of 500$^{+115}_{-100}$ K, and a mass in the range 15-40 $M_{ m Jup}$. This new, extremely cold benchmark companion is a compelling target for detailed characterization with future spectroscopic observations using facilities such as the Hubble Space Telescope or James Webb Space Telescope.

연구 동기 및 목표

• 시민 과학 데이터를 활용하여 근접한 M형 초상성에 물리적으로 연관된 매우 차가운 별외행성 형성물을 식별하고 확인하는 것.
• 나이, 금속성, 질량 등의 물리적 매개변수를 규명하여 별외행성 진화 모델의 기준점으로서 Ross 19AB 시스템을 확립하는 것.
• 대기 조성, 특히 C/O 비율을 조사하여 내재적 형성 또는 천체역학적 산란 여부를 구분함으로써 Ross 19B의 형성 기원을 평가하는 것.
• 허블 또는 제임스 웹 우주망원경를 활용한 향후 고해상도 스펙트럼 특성 분석 가능성을 평가하는 것.

제안 방법

• WISE 플립북에서 움직이는 천체를 식별하기 위해 Backyard Worlds: Planet 9 시민 과학 프로젝트를 활용하여 Ross 19A의 후보 형성물인 CWISE J021948.68+351845.3를 탐지하였다.
• 확률적 정렬 가능성을 계산하기 위해 수정된 BANYAN Σ 형식을 적용하여 Ross 19A와 Ross 19B 간의 물리적 연관성 가능성이 100%로 확인되었다.
• Gaia EDR3, WISE 및 기타 조사에서 확보한 기존 천체운동학 및 광도 데이터와 함께 Keck/MOSFIRE J-대역 이미징을 통합하여 궤도 및 물리적 매개변수를 정밀화하였다.
• SEDkit를 사용한 스펙트럼 에너지 분포(Spectral Energy Distribution, SED) 모델링을 통해 Ross 19B의 효과 온도와 질량를 추정하였으며, 이는 T/Y 스펙트럼 경계에 위치함을 확인하였다.
• 광도 및 천체운동학 데이터를 활용하여 Ross 19A의 금속성([Fe/H] = −0.40 ± 0.12)과 나이(7.2+3.8−3.6 Gyr)를 측정하여 시스템 진화를 제약하였다.
• 향후 허블 우주망원경 또는 제임스 웹 우주망원경를 활용한 대기 C/O 비율 회수 관측을 제안하여, 디스크 불안정성 또는 난류 붕괴 등의 형성 경로를 구분할 수 있도록 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광범위한 분리, 차가운 형성물인 CWISE J021948.68+351845.3은 Ross 19A와 물리적으로 연관되어 있는가, 아니면 우연한 정렬일 뿐인가?
• RQ2 Ross 19B의 정밀한 물리적 매개변수, 즉 효과 온도, 질량, 스펙트럼 유형은 무엇이며, 기존의 별외행성 기준점과 비교해보면 어떻게 되는가?
• RQ3 Ross 19B의 대기 조성, 특히 C/O 비율은 어떤 형성 메커니즘을 드러내는가—디스크 내에서 직접 붕괴하는가, 아니면 천체역학적 산란을 겪었는가?
• RQ4 극도의 차가움과 잘 제약된 나이 및 금속성 덕분에 Ross 19B는 별외행성 대기 및 진화 모델의 시험과 校정을 위한 견고한 기준점이 될 수 있는가?

주요 결과

• Ross 19A와 Ross 19B 간의 우연한 정렬 가능성이 100%로 확인되었으며, 수정된 BANYAN Σ 형식을 통해 물리적 연관성이 확인되었다.
• Ross 19A는 [Fe/H] = −0.40 ± 0.12의 금속성과 7.2+3.8−3.6 Gyr의 나이를 가지며, 금속 빈도가 낮고 오래된 M형 초상성이다.
• Ross 19B는 알려진 광범위한 분리 형성물 중 가장 차가운 편에 속하며, 효과 온도는 500+115−100 K이며 스펙트럼 유형은 T/Y 경계 근처이다.
• Ross 19B의 질량는 15–40 MJup로 제약되며, 행성 질량 경계 근처에 위치한다.
• Ross 19B는 근적외선 영역에서 매우 어두운(J ≈ 21.14 mag) 편이므로, 허블 또는 제임스 웹 우주망원경를 활용한 향후 스펙트럼 특성 분석의 주요 대상이 될 수 있다.
• 저금속성과 극도의 차가움 덕분에 Ross 19B는 별외행성 대기 및 진화 모델을 시험하기 위한 희귀하고 귀중한 기준점이 된다.