[论文解读] Testing the Planet-Metallicity Correlation in M-dwarfs with Gemini GNIRS Spectra

Mélissa J. Hobson, E. Jofré+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 13, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 6

一句话总结

本研究利用基特望望远镜GNIRS仪器获取的高分辨率近红外光谱，检验了M型矮星的行星-金属量相关性。研究发现，特别是拥有类木行星的M型矮星，其金属量显著高于无行星的M型矮星，支持了行星形成的核吸积模型，并证明了GNIRS在M型矮星恒星参数测量中的可靠性。

ABSTRACT

While the planet-metallicity correlation for FGK main-sequence stars hosting giant planets is well established, the results are not so clear for M-dwarf stars, for which precise metallicity measurements are not straightforward. However, new techniques using near infrared spectra show promising results. Using these, we determine stellar parameters and metallicities for a sample of 16 M-dwarf stars, 11 of which host planets, with near-infrared spectra from the Gemini Near-Infrared Spectrograph (GNIRS). We find that M-dwarfs with planets are preferentially metal-rich compared to those without planets. This result, based on GNIRS spectra, is supported by the analysis of a relatively larger sample of M stars with planets (18 in total) and a control sample of 213 M stars without known planets, obtained from the catalogue of Terrien et al. (2015). This, on the one hand, coincides with the trend (not only for M- but also for solar-type stars) reported in the literature and, on the other hand, demonstrates the utility of GNIRS spectra to obtain reliable stellar parameters of M stars. We also find that M dwarfs that harbor giant planets are preferentially more metallic than those associated with low-mass planets (Neptune or super-Earth type). This trend also agrees with that previously reported for solar-type stars. These results would favor the core accretion model for planetary formation.

研究动机与目标

• 检验宿主行星的M型矮星是否相较于无行星宿主的M型矮星表现出金属量过剩，以扩展在FGK型星中观测到的行星-金属量相关性。
• 评估基特望望远镜GNIRS仪器近红外光谱在M型矮星中准确推导恒星参数（尤其是金属量）的可靠性。
• 检验金属量是否与行星质量或类型（如类木行星与海王星级或超级类地行星）相关，以检验行星形成模型。
• 评估这些观测趋势在初始GNIRS样本和更大、独立的Terrien等人（2015年）星表样本中是否成立。
• 确定金属量差异在统计上是否显著，并且对测量不确定性和样本偏差是否具有鲁棒性。

提出的方法

• 利用基特望远镜北侧的近红外光谱仪（GNIRS）获取16颗M型矮星（其中11颗已知拥有行星）的中等分辨率近红外光谱。
• 应用Rojas-Ayala等人（2012年）、Terrien等人（2012年）和Mann等人（2013年）的K波段校准方法，从GNIRS光谱中推导金属量。
• 使用Newton等人（2015年）的校准方法，从相同光谱中确定恒星参数（有效温度、半径、光度）。
• 将行星宿主M型矮星的金属量分布与Terrien等人（2015年）星表中213颗无行星宿主的M型矮星控制样本进行比较。
• 分析GNIRS样本和更大星表样本中金属量与行星参数（轨道周期、偏心率、最小质量）之间的相关性。
• 使用Kolmogorov-Smirnov检验评估结果的统计显著性，并考虑$M\sin i$测量中的不确定性，特别是对低质量行星的测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 宿主行星的M型矮星是否表现出比无已知行星的M型矮星更高的金属量？
• RQ2 M型矮星中的行星-金属量相关性是否与行星形成的核吸积模型一致？
• RQ3 宿主类木行星（木星质量或更大）的M型矮星是否显著比宿主海王星级或超级类地行星的M型矮星具有更高的金属量？
• RQ4 GNIRS光谱能否可靠地测定M型矮星的恒星金属量及其他参数？
• RQ5 当将这些观测趋势扩展到初始GNIRS观测之外的更大、独立样本时，这些相关性是否依然稳健？

主要发现

• 宿主行星的M型矮星显著比无行星的M型矮星更富金属，GNIRS样本中金属量过剩约0.10 dex。
• 在来自Terrien等人（2015年）星表的18颗行星宿主M型矮星和213颗无宿主M型矮星的更大样本中，也确认了行星-金属量相关性。
• 宿主至少一颗木星质量行星的M型矮星比宿主海王星级或超级类地行星的M型矮星更富金属，后一组未表现出显著的金属量过剩。
• 行星宿主的金属量分布与控制样本在统计上显著不同，p值表明其显著性超出随机波动。
• GNIRS光谱能可靠地提供恒星参数，包括金属量，其结果与文献值在误差范围内高度一致。
• 观测到的趋势——类木行星宿主金属量更高，且普遍存在行星-金属量相关性——支持M型矮星中行星形成的核吸积模型。