[论文解读] SCExAO/CHARIS Direct Imaging of A Low-Mass Companion At A Saturn-Like Separation from an Accelerating Young A7 Star

Jeffrey Chilcote, Taylor Tobin+18 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 85被引用 8

一句话总结

该论文通过SCExAO/CHARIS和Keck/NIRC2实现了对年轻A7IV型恒星HD 91312 A周围8 au投影距离处一颗低质量伴星HD 91312 B的直接成像发现及精确动力学质量测量。结合高对比度成像、盖亚和依巴谷的天体测量数据以及径向速度数据，研究得出其动力学质量为0.337+0.042−0.044 M⊙，精度达10%，确认其为早中期M型矮星，并展示了多方法协同在太阳系类似距离处表征低质量伴星的强大潜力。

ABSTRACT

We present the SCExAO direct imaging discovery and characterization of a low-mass companion to the nearby young A7IV star, HD 91312. SCExAO/CHARIS $JHK$ (1.1-2.4 $\mu m$) spectra and SCExAO/HiCIAO $H$ band imaging identify the companion over a two year baseline in a highly inclined orbit with a maximum projected separation of 8 au. The companion, HD 91312 B, induces an 8.8-$\sigma$ astrometric acceleration on the star as seen with the Gaia & Hipparcos satellites and a long-term radial velocity trend as previously identified by Borgniet et al. (2019). HD 91312 B's spectrum is consistent with that of an early-to-mid M dwarf. Hipparcos and Gaia absolute astrometry, radial-velocity data, and SCExAO/CHARIS astrometry constrain its dynamical mass to be $0.337^{+0.042}_{-0.044}$M$_\odot$, consistent with - but far more precise than - masses derived from spectroscopy, and favors a nearly edge-on orbit with a semi-major axis of $\sim$9.7 au. This work is an example of precisely characterizing properties of low-mass companions at solar system-like scales from a combination of direct imaging, astrometry, and radial-velocity methods.

研究动机与目标

• 直接成像并表征年轻A7IV型恒星HD 91312 A的低质量伴星，该伴星表现出天体测量和径向速度异常。
• 结合直接成像、盖亚和依巴谷的天体测量数据以及径向速度数据，推导出该伴星的精确动力学质量。
• 通过光谱拟合确定该伴星的大气特性，并与演化模型进行比较。
• 结合光度、温度和动力学质量约束，利用恒星演化模型确定HD 91312系统的年龄。
• 验证天体测量筛选（通过HGCA）在提升直接成像调查效率方面的实用性，通过选择加速恒星实现。

提出的方法

• 在两年基线上获取SCExAO/CHARIS的高对比度JHK波段积分场光谱数据以及SCExAO/HiCIAO的H波段成像数据。
• 利用Keck/NIRC2获取Lp波段测光数据，以补充谱能分布约束。
• 采用卫星光斑定标和PSF减除技术进行伴星的相对天体测量。
• 结合盖亚-eDR3和依巴谷的绝对天体测量数据与Borgniet等人（2019年）提供的径向速度趋势，建模轨道运动。
• 将SCExAO/CHARIS光谱和Keck/NIRC2测光数据与大气模型（BT-Settl-CIFIST）进行拟合，推导有效温度和重力加速度。
• 利用天体测量和径向速度数据得到的轨道解，通过开普勒轨道力学计算HD 91312 B的动力学质量。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过直接成像和光谱分析，HD 91312 A周围8 au处的低质量伴星的本质是什么？
• RQ2 HD 91312 B的动力学质量是多少？其与大气模型估算的质量相比如何？
• RQ3 天体测量和径向速度数据如何约束该系统的轨道参数和轨道倾角？
• RQ4 当结合光度、温度和动力学质量约束时，HD 91312系统的年龄是多少？
• RQ5 利用天体测量筛选（通过HGCA）在多大程度上提升了直接成像调查的效率与表征能力？

主要发现

• HD 91312 B是距离HD 91312 A投影分离8 au的低质量伴星，其动力学质量为0.337+0.042−0.044 M⊙，由联合天体测量与径向速度数据确定。
• 该伴星的光谱与早中期M型矮星模型匹配最佳，有效温度为3400+100−200 K，log(g) = 4.0+1.5−0.5。
• 该系统轨道倾角极高，为85.63+0.71−0.82度，与几乎边缘朝向的配置一致。
• 轨道解给出半长轴为9.7+1.0−1.3 au，偏心率为0.219+0.10−0.064。
• 结合动力学质量约束，Dartmouth、YaPSI和MIST恒星演化模型将HD 91312 AB系统的年龄约束在0.35–1.5 Gyr之间。
• 本研究证明，将直接成像与天体测量及径向速度数据结合，可实现约10%的质量精度，显著优于基于光度的质量估算。