[論文レビュー] Greening of the Brown Dwarf Desert. EPIC 212036875 b -- a 51 M$_\mathrm{J}$ object in a 5 day orbit around an F7 V star

C. M. Persson, Szilárd Csizmadia+56 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2019

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 6被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、F7 V型の恒星の周りを5.17日周期で公転する51 M$_\mathrm{J}$の質量を持つ褐色矮星EPIC 212036875bの発見と正確な特徴付けを、多波長光度測定、ドップラー速度測定、および食モデル化を用いて報告している。この天体は褐色矮星の砂漠に位置し、巨大惑星と区別がつかない質量-密度の傾向を示しており、褐色矮星が惑星集団の高質量端を占めることを支持する。

ABSTRACT

Our aim is to investigate the nature and formation of brown dwarfs by adding a new well-characterised object to the small sample of less than 20 transiting brown dwarfs. One brown dwarf candidate was found by the KESPRINT consortium when searching for exoplanets in the K2 space mission Campaign 16 field. We combined the K2 photometric data with a series of multi-colour photometric observations, imaging and radial velocity measurements to rule out false positive scenarios and to determine the fundamental properties of the system. We report the discovery and characterisation of a transiting brown dwarf in a 5.17 day eccentric orbit around the slightly evolved F7V star EPIC 212036875. We find a stellar mass of 1.15+/-0.08 M$_\odot$, a stellar radius of 1.41+/-0.05 R$_\odot$, and an age of 5.1+/-0.9 Gyr. The mass and radius of the companion brown dwarf are 51+/-2 MJ and 0.83+/-0.03 RJ, respectively, corresponding to a mean density of 108+15-13 g cm-3. EPIC 212036875 b is a rare object that resides in the brown dwarf desert. In the mass-density diagram for planets, brown dwarfs and stars, we find that all giant planets and brown dwarfs follow the same trend from ~0.3 MJ to the turn-over to hydrogen burning stars at ~73 MJ. EPIC 212036875 b falls close to the theoretical model for mature H/He dominated objects in this diagram as determined by interior structure models, as well as the empirical fit. We argue that EPIC 212036875 b formed via gravitational disc instabilities in the outer part of the disc, followed by a quick migration. Orbital tidal circularisation may have started early in its history for a brief period when the brown dwarf's radius was larger. The lack of spin-orbit synchronisation points to a weak stellar dissipation parameter which implies a circularisation timescale of >23 Gyr, or suggests an interaction between the magnetic and tidal forces of the star and the brown dwarf.

研究の動機と目的

• 褐色矮星の砂漠に位置するレアな食を示す褐色矮星の特徴付けを行い、褐色矮星の形成と進化に関する理解を深める。
• 褐色矮星と巨大惑星が連続的な質量-密度シーケンスを形成する仮説を検証する。
• 潮汐進化と自転-公転軸の整合性を含む、系の軌道的・力学的歴史を制約する。
• 恒星の年齢と進化状態を特定し、系の進化タイムラインを固定する。
• 複数の機器を用いたフォローアップ観測により、誤検出の可能性を除外する。

提案手法

• K2宇宙望遠鏡の光度測定と地上望遠鏡の多色食光度測定を組み合わせ、惑星の食を確認し、軌道パラメータを精緻化する。
• 高精度のドップラー速度測定を用いて、伴星の質量を決定し、その亜恒星的性質を確認する。
• 星の大気モデルとスペクトルエネルギー分布のフィッティングを適用し、恒星の質量、半径、年齢を導出する。
• 食の深さと持続時間の分析を用いて、褐色矮星の半径を特定する。
• ロシター＝マクラウリン効果を用いて、恒星の自転軸と惑星の公軌道の間の自転-公転軸の傾き角を測定する。
• 潮汐進化モデルを適用し、過去の軌道の円形化と現在の潮汐散逸の可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 EPIC 212036875bは真の褐色矮星であるか。その正確な質量と半径は何か？
• RQ2 この天体の質量-密度関係は、巨大惑星や低質量星と比べてどのように異なるか？
• RQ3 褐色矮星の軌道的歴史は何か。潮汐による円形化や移動の履歴は？
• RQ4 恒星の年齢は何か。これは系の進化を制約するか？
• RQ5 自転-公転軸の不整合性や潮汐ロックの兆候は見られるか？

主な発見

• EPIC 212036875bの質量は51 ± 2 M$_\mathrm{J}$、半径は0.83 ± 0.03 R$_\mathrm{J}$、平均密度は108$_{-13}^{+15}$ g cm$^{-3}$であり、褐色矮星としての性質が確認された。
• 恒星の質量は1.15 ± 0.08 M$_\odot$、半径は1.41 ± 0.05 R$_\odot$、年齢は5.1 ± 0.9 Gyrであり、わずかに進化した恒星であることが示された。
• 褐色矮星の公転周期は5.17日であり、離心率を持つ軌道を描いており、顕著な移動履歴を経験した可能性がある。
• 系には顕著な自転-公転軸の不整合性はなく、ロシター＝マクラウリン効果により低傾き角が示された。
• 初期の系の歴史において、褐色矮星がより大きく存在していた時期に潮汐による円形化が起こった可能性があるが、現在の潮汐散逸は弱く、Q′$_\star$ ≳ 10$^8$である。
• 質量-密度図では、褐色矮星と巨大惑星の間に明確な違いは認められず、褐色矮星が惑星集団の高質量端を占めることを支持する。