[논문 리뷰] The substellar mass function in sigma Orionis. II. Optical, near-infrared and IRAC/Spitzer photometry of young cluster brown dwarfs and planetary-mass objects

J. A. Caballero, V. J. S. Béjar외 9명|arXiv (Cornell University)|2007. 05. 07.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 99인용 수 82

한 줄 요약

이 연구는 젊은 별성 집단인 σ Orionis에 위치한 저질량 별성 물체에 대한 깊은 광학, 적외선 및 Spitzer IRAC 적외선 보정을 제시하며, 약 0.006 M☉까지의 진정한 구성원 30개를 확인한다. 질량 함수의 상승 경향을 발견하였으며, α = 0.6 ± 0.2로 나타내어 0.006 M☉ 이하에서 투과도 질량 한계가 존재하지 않음을 시사하며, 브라운 왜성과 행성질량 천체의 구름 분열에 의한 연속적인 형성 메커니즘을 지지한다.

ABSTRACT

We investigate the mass function in the substellar domain down to a few Jupiter masses in the young sigma Orionis open cluster (3+/-2 Ma, d = 360^+70_-60 pc). We have performed a deep IJ-band search, covering an area of 790 arcmin^2 close to the cluster centre. This survey was complemented with an infrared follow-up in the HKs- and Spitzer 3.6-8.0 mum-bands. Using colour-magnitude diagrams, we have selected 49 candidate cluster members in the magnitude interval 16.1 mag < I < 23.0 mag. Accounting for flux excesses at 8.0 mum and previously known spectral features of youth, 30 objects are bona fide cluster members. Four are first identified from our optical-near infrared data. Eleven have most probable masses below the deuterium burning limit and are classified as planetary-mass object candidates. The slope of the substellar mass spectrum (Delta N / Delta M = a M^-alpha) in the mass interval 0.11 Msol M < 0.006 Msol is alpha = +0.6+/-0.2. Any opacity mass-limit, if these objects form via fragmentation, may lie below 0.006 Msol. The frequency of sigma Orionis brown dwarfs with circumsubstellar discs is 47+/-15 %. The continuity in the mass function and in the frequency of discs suggests that very low-mass stars and substellar objects, even below the deuterium-burning mass limit, may share the same formation mechanism.

연구 동기 및 목표

• σ Orionis 별성 집단의 저질량 질량 함수의 형태를 약 몇 개의 Jupiter 질량까지 규명하는 것.
• 젊고 가까운 열린 별성 집단에서 브라운 왜성과 행성질량 천체 후보를 식별하고 특성화하는 것.
• 매우 낮은 질량 천체 주위의 원형저질량 원반의 빈도를 평가하여 형성 메커니즘을 탐색하는 것.
• 분자구름 내 중력 분열에 의해 형성된 천체에 대해 투과도 질량 한계가 존재하는지 테스트하는 것.
• 행성질량 천체가 낮은 질량의 별과 브라운 왜성과 같은 과정으로 형성되는지 여부를 확인하는 것.

제안 방법

• σ Orionis 중심부를 향한 790 제곱arcmin 영역에서 깊은 $IJ$-대역 조사 수행하여, $I \sim 24.1$ mag 및 $J \sim 21.8$ mag의 한계 등급에 도달.
• $H$-, $K_{\rm s}$-대역 및 Spitzer IRAC 3.6–8.0 μm 대역에서 적외선 후속 관측을 수행하여 원반을 나타내는 복사과잉을 탐지.
• $I$ 대비 $I-J$ 색온도도를 사용하여 16.1 < $I$ < 23.0 mag 범위에서 49개의 후보 집단 구성원을 선별.
• 청춘성 특징과 8.0 μm 복사과잉을 활용하여 집단 구성원의 확인 및 원반을 지닌 천체 식별.
• 저질량 질량 함수를 거듭제곱 법칙으로 적합: $\Delta N/\Delta M \propto M^{-\alpha}$, $\alpha$는 질량 범위 0.11–0.006 $M_\odot$에서 유도.
• IRAC 8.0 μm 과잉과 확인된 구성원 기준을 사용하여 원형저질량 원반을 지닌 브라운 왜성의 빈도 추정.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 σ Orionis에서 약 0.006 $M_\odot$까지의 저질량 질량 함수의 기울기는 무엇인가?
• RQ2 σ Orionis의 행성질량 천체 후보들은 원형주위 원반의 흔적을 보이며, 원형저질량 원반을 지닌 브라운 왜성의 빈도는 어떻게 되는가?
• RQ3 분자구름 내에서 투과도 제한 분열에 의해 발생하는 초기 질량 함수에 질량 절단점이 존재하는가?
• RQ4 매우 낮은 질량 천체의 관측된 성질은 낮은 질량 별에서 행성질량 천체까지의 연속적인 형성 메커니즘을 지지하는가?
• RQ5 σ Orionis의 어두운 저질량 저질량 천체의 광학 및 분광학적 성질은 알려진 젊은 브라운 왜성과 고립된 행성질량 천체와 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• σ Orionis의 저질량 질량 함수는 상승 경향을 보이며, 질량 범위 0.11–0.006 $M_\odot$에서 거듭제곱 법칙 기울기 $\alpha = 0.6 \pm 0.2$이다.
• 49개 후보 중 30개는 청춘성 지표와 IRAC 8.0 μm 과잉을 통해 진정한 집단 구성원로 확인되었다.
• 11개의 천체는 중수소 연소 한계(0.013 $M_\odot$) 이하의 가장 가능성이 높은 질량을 지녔으며, 행성질량 천체 후보로 분류되었다.
• 원형저질량 원반을 지닌 브라운 왜성의 빈도는 47 ± 15%로 나타나, 저질량 영역에서 원반 유지율이 높다는 것을 시사한다.
• 0.006 $M_\odot$까지 질량 함수에 끊김이나 절단점은 관측되지 않아, 이 별성 집단에서 투과도 질량 한계의 증거가 없음을 시사한다.
• 이 연구에서 처음으로 4개의 브라운 왜성과 2개의 행성질량 천체 후보가 보고되었다.