[논문 리뷰] The EBLM project. II. A very hot, low-mass M dwarf in an eccentric and long period eclipsing binary system from SuperWASP

Y. Gómez Maqueo Chew, J. C. Morales외 17명|arXiv (Cornell University)|2014. 08. 29.

Stellar, planetary, and galactic studies인용 수 24

한 줄 요약

이 논문은 EBLM 프로젝트에서 처음으로 완전히 분석된 일식 이중성계인 J0113+31을 제시하며, 금속 농도가 낮고 오래된 태양형 항성과 저질량 M형 항성으로 이루어져 있다. 별의 질량과 반지름이 별의 진화 모델과 일관되지만, M형 항성의 표면 온도(3922 ± 42 K)는 예측된 것보다 약 600 K 높아, 현재 이론적 모델에 도전하며, 외계행성 기반 항성 특성 분석을 위한 금속 농도에 따른 M형 항성 특성에 대한 경험적 제약이 필요하다는 점을 부각시킨다.

ABSTRACT

In this paper, we derive the fundamental properties of 1SWASPJ011351.29+314909.7 (J0113+31), a metal-poor (-0.40 +/- 0.04 dex), eclipsing binary in an eccentric orbit (~0.3) with an orbital period of ~14.277 d. Eclipsing M dwarfs orbiting solar-type stars (EBLMs), like J0113+31, have been identified from WASP light curves and follow-up spectroscopy in the course of the transiting planet search. We present the first binary of the EBLM sample to be fully analysed, and thus, define here the methodology. The primary component with a mass of 0.945 +/- 0.045 Msun has a large radius (1.378 +/- 0.058 Rsun) indicating that the system is quite old, ~9.5 Gyr. The M-dwarf secondary mass of 0.186 +/- 0.010 Msun and radius of 0.209 +/- 0.011 Rsun are fully consistent with stellar evolutionary models. However, from the near-infrared secondary eclipse light curve, the M dwarf is found to have an effective temperature of 3922 +/- 42 K, which is ~600 K hotter than predicted by theoretical models. We discuss different scenarios to explain this temperature discrepancy. The case of J0113+31 for which we can measure mass, radius, temperature and metallicity, highlights the importance of deriving mass, radius and temperature as a function of metallicity for M dwarfs to better understand the lowest mass stars. The EBLM Project will define the relationship between mass, radius, temperature and metallicity for M dwarfs providing important empirical constraints at the bottom of the main sequence.

연구 동기 및 목표

• 초기 슈퍼워스프로젝트의 천체망원경 데이터로부터 발견된 새로운 일식 이중성계 J0113+31의 기본적 성질을 규명하여 저질량 M형 항성의 별의 진화 모델을 검증한다.
• 이론적 모델 예측과 비교해 관측된 M형 항성의 표면 온도 간의 불일치를 해결한다.
• 향후 외계행성 기반 항성 연구를 위한 일식 이중성계 내 저질량 항성의 정밀한 질량, 반지름, 온도, 금속 농도 측정 방법론을 수립한다.
• 주계열의 하단부에 위치한 M형 항성의 질량-반지름-온도-금속 농도 관계에 대한 경험적 제약을 향상시킨다.

제안 방법

• 초기 슈퍼워스프로젝트의 광도 변화 곡선을 활용하여 J0113+31의 일식 이중성계를 탐지하고 특성을 규명하였다.
• 지상 천체망원경(예: 허비-에버리 텔레스코프, NOT, KPNO)의 운동량 측정을 통해 궤도 파arameter와 성분 질량을 결정하였다.
• 근적외선 영역에서의 보조 일식 깊이(FLAMINGOS 및 기타 장비를 통해 측정)를 활용하여 M형 항성의 표면 온도를 유도하였다.
• 별의 대기 모델(PHOENIX)과 진화 모델(예: Dotter et al. 2008)을 적용하여 관측된 성질을 해석하였으며, 알파 원소 농도와 금속 농도의 변화를 고려하였다.
• 체계적 불확실성을 평가하기 위해 모델 대기 처리 방식, 주성의 특성 규명, 잠재적인 비분리 이중성의 영향을 검토하였다.
• 관측된 일식 깊이와 흑체 및 모델 대기 예측 간의 비교를 통해 온도 일관성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 J0113+31의 저질량 M형 항성의 표면 온도가 별의 진화 모델 예측보다 현저히 높은 이유는 무엇인가?
• RQ2 모델 대기의 불확실성, 주성의 특성 규명 오차, 또는 비분리된 이중성의 영향이 관측된 온도 불일치를 어느 정도 설명할 수 있는가?
• RQ3 tidal 힘, 자기 활성도, 또는 물질 침착과 같은 물리적 메커니즘이 M형 항성의 관측된 온도 과잉을 설명할 수 있는가?
• RQ4 금속 농도가 저질량 항성의 질량-반지름-온도 관계에 어떻게 영향을 미치며, 관측된 불일치에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 EBLM 프로젝트의 방법론이 외계행성 기반 항성 특성 분석에 사용할 수 있는 신뢰할 수 있는 경험적 제약를 제공할 수 있는가?

주요 결과

• J0113+31의 M형 항성은 관측된 표면 온도가 3922 ± 42 K이며, 이는 이론적 별의 진화 모델 예측보다 약 600 K 높다.
• M형 항성의 질량(0.186 ± 0.010 M⊙)과 반지름(0.209 ± 0.011 R⊙)은 진화 모델과 일치하여, 불일치는 오직 온도 측정 오차에 기인함을 시사한다.
• 모델 대기 처리의 불확실성, 포함된 극한의 알파 원소 농도 증가(최대 +1.2 dex)를 고려한 후에도 관측된 일식 깊이와 예측된 깊이 간 불일치는 여전히 지속되며, 이는 온도 과잉을 설명하지 못한다.
• 이 시스템은 약 9.5 Gyr의 나이이며, 금속 농도가 낮은([Fe/H] = -0.40 ± 0.04 dex) 것으로 나타나, 주성의 큰 반지름과 그의 스펙트럼적 성질이 이를 뒷받침한다.
• 주성의 질량은 0.945 ± 0.045 M⊙, 반지름은 1.378 ± 0.058 R⊙로, 오래되고 금속 농도가 낮으며 진화된 태양형 항성임을 확인한다.
• 궤도 이심률은 약 0.3이며, 주기는 약 14.277일로, 장주기이고 이심도가 높은 일식 이중성계로서 흔치 않아 별의 진화 모델 검증에 매우 유용하다.