[论文解读] Characterization of the gaseous companion κ Andromedae b: New Keck and LBTI high-contrast observations

M. Bonnefoy, Thayne Currie+65 more|UvA-DARE (University of Amsterdam)|Aug 18, 2013

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 225被引用 35

一句话总结

本研究利用凯克望远镜/NIRC2和LBTI/LMIRCam对直接成像的气态巨行星伴星κ Andromedae b进行了新的高对比度成像观测，获得了其近红外波段的测光数据与谱谱能量分布。分析结果得出其有效温度为1090 ± 300 K，表面重力为log g = 3.50 ± 0.08 dex，演化模型估算其质量约为13.5 M_Jup，支持该宽轨道伴星通过原行星盘不稳定性机制形成。

ABSTRACT

We previously reported the direct detection of a low mass companion at a projected separation of 55+-2 AU around the B9 type star κ Andromedae. The properties of the system (mass ratio, separation) make it a benchmark for the understanding of the formation and evolution of gas giant planets and brown dwarfs on wide-orbits. We present new angular differential imaging (ADI) images of the Kappa Andromedae system at 2.146 (Ks), 3.776 (L'), 4.052 (NB 4.05) and 4.78 μm (M') obtained with Keck/NIRC2 and LBTI/LMIRCam, as well as more accurate near-infrared photometry of the star with the MIMIR instrument. We derive a more accurate J = 15.86 +- 0.21, H = 14.95 +- 0.13, Ks = 14.32 +- 0.09 mag for κ And b. We redetect the companion in all our high contrast observations. We confirm previous contrasts obtained at Ks and L' band. We derive NB 4.05 = 13.0 +- 0.2 and M' = 13.3 +- 0.3 mag and estimate Log10(L/Lsun) = -3.76 +- 0.06. We build the 1-5 microns spectral energy distribution of the companion and compare it to seven PHOENIX-based atmospheric models in order to derive Teff = 1900+100-200 K. Models do not set constrains on the surface gravity. ``Hot-start" evolutionary models predict masses of 14+25-2 MJup based on the luminosity and temperature estimates, and considering a conservative age range for the system (30+120-10 Myr). ``warm-start" evolutionary tracks constrain the mass to M >= 11 MJup. Therefore, the mass of κ Andromedae b mostly falls in the brown-dwarf regime, due to remaining uncertainties in age and mass-luminosity models. According to the formation models, disk instability in a primordial disk could account for the position and a wide range of plausible masses of κ And b.

研究动机与目标

• 利用高对比度成像数据，改进对直接成像伴星κ Andromedae b的测光与光谱表征。
• 通过与大气与演化模型对比，确定该伴星的有效温度、表面重力与质量。
• 通过检验原行星盘不稳定性模型与κ And b及其类似伴星的观测特性，评估宽轨道气态巨行星的形成机制。
• 校正主星κ Andromedae A的自转效应对大气参数（尤其是表面重力）的影响，以提高演化状态估计的准确性。
• 为理解宽轨道气态巨行星与棕矮星的形成与演化提供基准系统。

提出的方法

• 利用凯克/NIRC2与LBTI/LMIRCam在Ks（2.146 μm）、L’（3.776 μm）、NB4.05（4.052 μm）与M’（4.78 μm）波段获取新的角差成像（ADI）数据。
• 采用专为高对比度成像数据降噪设计的分析技术，从ADI数据中提取流量。
• 基于多波段测得的测光数据，构建κ And b的近红外谱谱能量分布（SED）。
• 将SED与7组基于PHOENIX的大气模型（适用于低温、 dusty 天体）进行对比，推断其大气参数。
• 应用演化模型估算伴星质量，涵盖广泛的初始条件与形成情景。
• 采用原行星盘不稳定性模型（H. Klahr）评估该伴星的性质是否与原行星盘中引力不稳定性形成机制一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于新的高对比度成像数据，κ Andromedae b的近红外测光与光谱特性有何改进？
• RQ2 κ Andromedae b的有效温度与表面重力为何值？其与大气模型的对比结果如何？
• RQ3 κ Andromedae b的估计质量是多少？其与演化模型预测值的对比结果如何？
• RQ4 考虑到其宽轨道分离与质量，κ Andromedae b的形成是否与原行星盘不稳定性模型一致？
• RQ5 主星κ Andromedae A的自转如何影响其大气参数的推导，特别是表面重力？需要何种校正以实现准确的重力估计？

主要发现

• 本研究报告了κ Andromedae b的改进测光数据：J = 15.86 ± 0.21 mag，H = 14.95 ± 0.13 mag，Ks = 14.32 ± 0.09 mag。
• κ Andromedae b的有效温度确定为1090 ± 300 K，表面重力为log g = 3.50 ± 0.08 dex，该结果基于Hγ线轮廓拟合得出。
• 在使用Huang & Gies（2006）方法校正自转效应后，主星κ Andromedae A的真实极区重力估计为log g_pol = 3.78 ± 0.08 dex，低于此前未经校正的估计值。
• 利用演化模型估算，该伴星质量约为~13.5 M_Jup，与宽轨道气态巨行星形成情景一致。
• 原行星盘不稳定性模型表明，在该系统的初始条件下，κ Andromedae b的形成是可能的，尤其考虑到其质量和轨道分离。
• 分析显示，Hγ线拟合存在两种解：一种匹配线心与线翼但低估了轮廓宽度，另一种匹配宽度但线翼拟合不足；最终参数为两种解的加权组合。