[논문 리뷰] The EBLM Project

Alexander von Boetticher, A. H. M. J. Triaud외 29명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 26.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 69인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 지상 천체망원경과 CORALIE 분광계에서 확보한 광도 및 진동수 속도 데이터를 이용하여 완전히 대류적인 매우 낮은 질량 성성(별질량 M⋆ ≲ 0.35 M⊙) 10개의 별의 질량, 반지름, 표면 중력도를 측정한다. 결과는 별의 진화 모델과 뛰어난 일치를 보이며, 예측 대비 반지름의 체계적 팽창이 1.6 ± 1.2%에 불과하고, 주성의 금속성에 따른 반지름의 척도가 존재하지만 궤도 주기와의 상관관계는 없음을 시사한다.

ABSTRACT

Measurements of the physical properties of stars at the lower end of the main sequence are scarce. In this context we report masses, radii and surface gravities of ten very-low-mass stars in eclipsing binary systems, with orbital periods of the order of several days. The objects probe the stellar mass-radius relation in the fully convective regime, $M_\star \lesssim 0.35$ M$_\odot$, down to the hydrogen burning mass-limit, $M_{\mathrm{HB}} \sim 0.07$ M$_\odot$. The stars were detected by the WASP survey for transiting extra-solar planets, as low-mass, eclipsing companions orbiting more massive, F- and G-type host stars. We use eclipse observations of the host stars (TRAPPIST, Leonhard Euler, SPECULOOS telescopes), and radial velocities of the host stars (CORALIE spectrograph), to determine physical properties of the low-mass companions. Companion surface gravities are derived from the eclipse and orbital parameters of each system. Spectroscopic measurements of the host star effective temperature and metallicity are used to infer the host star mass and age from stellar evolution models. Masses and radii of the low-mass companions are then derived from the eclipse and orbital parameters of each system. The objects are compared to stellar evolution models for low-mass stars, to test for an effect of the stellar metallicity and orbital period on the radius of low-mass stars in close binary systems. Measurements are in good agreement with stellar models; an inflation of the radii of low-mass stars with respect to model predictions is limited to 1.6 $\pm$ 1.2% in the fully convective regime. The sample of ten objects indicates a scaling of the radius of low-mass stars with the host star metallicity. No correlation between stellar radii and orbital periods of the binary systems is determined. A combined analysis with comparable objects from the literature is consistent with this result.

연구 동기 및 목표

• 완전히 대류적인 에클립스 이진계 내 매우 낮은 질량 성성(M⋆ ≲ 0.35 M⊙)의 정밀한 질량, 반지름, 표면 중력도 측정.
• 수소 연소 한계 근처의 완전히 대류적인 영역에서 별의 진화 모델 정확도 테스트(MHB ≈ 0.07 M⊙).
• 근접 이진계 내 저질량 성성의 반지름에 영향을 미치는 주성의 금속성과 궤도 주기의 영향 조사.
• 저질량 성성 반지름에 대한 실측치와 모델 예측치 사이의 체계적 불일치 평가.

제안 방법

• TRAPPIST, Leonhard Euler, SPECULOOS 망원경에서 확보한 일식 광도곡선을 이용해 각 이진계의 궤도 및 일식 매개변수 유도.
• 주성의 도전 속도 측정치를 CORALIE 분광계를 통해 확보하여 궤도 요소 및 주성 질량 결정.
• 태양형 별의 별의 진화 모델을 스펙트럼 제약조건(효과 온도 및 금속성)에 적합시켜 주성 질량과 연령 추정.
• 케플러의 법칙과 가장자리 어두움 모델을 이용해 일식 깊이, 지속시간, 궤도 매개변수로부터 저질량 보조성의 질량과 반지름 유도.
• 주성 질량에 의존하지 않고 일식 및 궤도 매개변수로부터 보조성의 표면 중력도 계산.
• 질량, 반지름, 표면 중력도의 사후 분포 생성을 위해 마르코프 체인 몬테카를로(MCMC) 샘플링 사용; 시각화를 위해 커널 밀도 추정 사용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 완전히 대류적인 영역에서 에클립스 이진계 내 매우 낮은 질량 성성의 실측치가 별의 진화 모델 예측과 얼마나 다를까?
• RQ2 근접 이진계 내 저질량 성성의 반지름이 주성의 금속성과 상관관계가 있는가?
• RQ3 이중계의 궤도 주기와 성성 반지름 사이에 측정 가능한 의존성이 있는가?
• RQ4 이 별들의 물리적 성질은 Gaia DR2의 광도 및 시차 측정치와 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 완전히 대류적인 영역에서 매우 낮은 질량 성성의 반지름은 별의 진화 모델 예측 대비 1.6 ± 1.2%의 체계적 팽창을 보인다.
• 저질량 성성의 반지름과 주성의 금속성 사이에 유의미한 상관관계를 발견하여 금속성에 따라 반지름 척도가 변동함을 시사한다.
• 이중계 10개의 표본에서 성성 반지름과 궤도 주기 사이에 통계적으로 유의미한 상관관계는 발견되지 않았다.
• 10개 신규 시스템과 문헌에서 확보한 13개 시스템의 통합 분석은 궤도 주기 의존성이 없음을 확인하고 금속성-반지름 척도를 지지한다.
• Gaia DR2의 광도 및 천체측량 추정치는 유도된 반지름과 온도와 양호한 일치를 보이며, 다만 시차 적합도가 열악한 시스템(GOFAL > 8)을 제외한 경우에 한해 성립한다.
• 보조성의 표면 중력도 측정치는 주성 질량에 의존하지 않으며, MCMC 사후 분포에서 보조성 질량과 log g 사이에 상관관계가 없음을 확인하여 강력한 신뢰성을 확보한다.