[논문 리뷰] SOPHIE velocimetry of Kepler transit candidates. XIII. KOI-189 B and KOI-686 B: two very low-mass stars in long-period orbits

R. F. Díaz, G. Montagnier외 11명|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|2014. 10. 20.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 63인용 수 24

한 줄 요약

이 연구는 케플러 전행 후보자인 KOI-189와 KOI-686에 대해 SOPHIE 분광계를 이용한 도전 속도 관측을 수행하여, 이들이 행성이라기보다는 매우 낮은 질량을 지닌 장기 궤도, 타원형 궤도를 도는 별임을 밝혀냈다. 정밀한 질량과 반지름 측정 결과, KOI-189 B는 이론적 모델이 예측하는 것보다 현저히 낮은 밀도를 보이며, 별의 내부 구조 모델에 대한 중요한 시험 사례가 된다.

ABSTRACT

We present the radial-velocity follow-up of two Kepler planetary transiting candidates (KOI-189 and KOI-686) carried out with the SOPHIE spectrograph at the Observatoire de Haute Provence. These data promptly discard these objects as viable planet candidates and show that the transiting objects are in the regime of very low-mass stars, where a strong discrepancy between observations and models persists for the mass and radius parameters. By combining the SOPHIE spectra with the Kepler light curve and photometric measurements found in the literature, we obtain a full characterization of the transiting companions, their orbits, and their host stars. The two companions are in significantly eccentric orbits with relatively long periods (30 days and 52.5 days), which makes them suitable objects for a comparison with theoretical models, since the effects invoked to understand the discrepancy with observations are weaker for these orbital distances. KOI-189 B has a mass M = 0.0745 +/- 0.0033 Msun and a radius R = 0.1025 +/- 0.0024 Rsun. The density of KOI-189 B is significantly lower than expected from theoretical models for a system of its age. We explore possible explanations for this difference. KOI-189 B is the smallest hydrogen-burning star with such a precise determination of its fundamental parameters. KOI-686 B is larger and more massive (M = 0.0915 +/- 0.0043 Msun; R = 0.1201 +/- 0.0033 Rsun), and its position in the mass-radius diagram agrees well with theoretical expectations.

연구 동기 및 목표

• SOPHIE 분광계를 이용한 도전 속도 관측을 통해 케플러 전행 후보자인 KOI-189와 KOI-686의 진정한 성격을 규명하는 것.
• SOPHIE와 케플러 데이터를 융합하여 이 시스템의 질량, 반지름, 궤도 파라미터 및 주계성 특성 등을 특성화하는 것.
• 관측된 질량-반지름 관계를 이론적 예측과 비교하여 매우 낮은 질량의 별에 대해 이론적 별의 내부 구조 모델을 시험하는 것.
• 장기 궤도와 타원형 궤도에서의 tidal 상호작용과 자기 활성도가 별의 반지름 팽창에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 도전 속도 잔차를 분석하여 이 시스템 내 추가 별의 존재에 대한 상한선을 설정하는 것.

제안 방법

• 프로베르프의 1.93m 망원경에 장착된 SOPHIE 분광계를 이용해 고정밀 도전 속도 측정을 수행하였다.
• SOPHIE 도전 속도 데이터와 케플러의 천체 등장도 및 광도 데이터를 융합하여 궤도 및 별의 특성 파rameter를 유도하였다.
• 모델 파rameter의 사후 분포를 샘플링하고 불확실성을 평가하기 위해 마르코프 체인 몬테카를로(MCMC) 알고리즘을 사용하였다.
• 도전 속도 데이터에 케플러 궤도 모델을 적합시켜 이심률과 궤도 주기를 포함한 궤도 요소를 결정하였다.
• 스펙트럼 에너지 분포(SED) 및 별 대기 모델링을 통해 주계성의 표면 온도, 금속성 및 표면 중력도를 유도하였다.
• 1일에서 300일 사이의 궤도 주기 범위에서 MCMC 사후 샘플의 잔차를 분석하여 추가 별의 상한선을 계산하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 KOI-189와 KOI-686는 행성 전행으로서의 설명이 더 타당한가, 아니면 별의 공전으로서의 설명이 더 타당한가?
• RQ2 KOI-189 B와 KOI-686 B의 측정된 질량과 반지름이 매우 낮은 질량의 별에 대한 이론적 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 궤도 이심률과 장기 궤도 주기가 tidal 동기화와 자기 활성도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 KOI-189 B에서 관측된 반지름 팽창 현상은 현재의 별의 내부 구조 모델로 설명될 수 있는가?
• RQ5 이 시스템들에서 다양한 궤도 주기 동안 추가 별의 존재에 대한 상한선은 무엇인가?

주요 결과

• KOI-189 B는 질량 0.0745 ± 0.0033 M⊙, 반지름 0.1025 ± 0.0024 R⊙를 가지며, 이러한 정밀한 기본 파rameter를 갖는 가장 작은 수소 연소 별이다.
• KOI-189 B의 밀도는 이론적 모델이 예측하는 것보다 현저히 낮으며, 낮은 질량의 별의 내부 구조에 지속적인 불일치가 있음을 시사한다.
• KOI-686 B는 질량 0.0915 ± 0.0043 M⊙, 반지름 0.1201 ± 0.0033 R⊙를 가지며, 질량-반지름 다이어그램에서 이론적 기대와 일치한다.
• 양 시스템 모두 장기 궤도(30.0일 및 52.5일)와 이심률이 높은 궤도를 도는데, 이는 tidal 효과를 줄이고 반지름 팽창 모델 테스트에 이상적인 조건을 제공한다.
• KOI-189의 경우, 20~60일 이내의 궤도 주기에서는 질량이 1 M_Jup 이상인 별은 배제되며, 그 이상의 주기에서는 선형적으로 상한선이 증가한다.
• KOI-686의 경우, 약 60일 이내의 궤도 주기에서는 몇 개의 목성 질량 이하의 별은 허용되지 않으며, 관측된 도전 속도 데이터 수가 적어 다소 느슨한 상한선이 적용된다.