[논문 리뷰] The GJ 504 system revisited. Combining interferometric, radial velocity, and high contrast imaging data

M. Bonnefoy, K. Perraut외 80명|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|2018. 07. 02.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 347인용 수 21

한 줄 요약

이 연구는 간섭계 측정, 복사속도, 고대비 영상 데이터를 융합하여 GJ 504 시스템의 질량이 큰 위성 GJ 504b의 나이, 구조, 대기 특성을 보다 정밀하게 분석한다. CHARA 간섭계를 사용하여 저자들은 항성 반지름을 1.35 ± 0.04 R☉로 도출하였으며, 이로부터 21 ± 2 Myr 또는 4.0 ± 1.8 Gyr의 등시선 나이를 산정하고, 다중 대역 스펙트럼 에너지 분포(SpE) 모델링을 통해 5개의 대기 모델 격자와 함께 GJ 504b의 효과적 온도를 550 ± 50 K로 제약하였다. 이는 중간 연령, 먼지가 많은, 또는 초지구금속성 대기를 나타낸다.

ABSTRACT

The G-type star GJ504A is known to host a 3 to 35 MJup companion whose temperature, mass, and projected separation all contribute to make it a test case for the planet formation theories and for atmospheric models of giant planets and light brown dwarfs. We collected data from the CHARA interferometer, SOPHIE spectrograph, and VLT/SPHERE high contrast imager to revisit the properties of the system. We measure a radius of 1.35+/- 0.04Rsun for GJ504A which yields isochronal ages of 21+/-2Myr or 4.0+/-1.8Gyr for the system and line-of-sight stellar rotation axis inclination of $162.4_{-4.3}^{+3.8}$ degrees or $18.6_{-3.8}^{+4.3}$ degrees. We re-detect the companion in the Y2, Y3, J3, H2, and K1 dual band SPHERE images. The complete 1-4 $μ$m SED shape of GJ504b is best reproduced by T8-T9.5 objects with intermediate ages ($\leq1.5$Gyr), and/or unusual dusty atmospheres and/or super-solar metallicities. All six atmospheric models used yield $\mathrm{T_{eff}=550 \pm 50}$K for GJ504b and point toward a low surface gravity (3.5-4.0 dex). The accuracy on the metallicity value is limited by model-to-model systematics. It is not degenerate with the C/O ratio. We derive $\mathrm{log\:L/L_{\odot}=-6.15\pm0.15}$ dex for the companion compatible with masses of $\mathrm{M=1.3^{+0.6}_{-0.3}M_{Jup}}$ and $\mathrm{M=23^{+10}_{-9} M_{Jup}}$ for the young and old age ranges, respectively. The semi-major axis (sma) is above 27.8 au and the eccentricity lower than 0.55. The posterior on GJ~504b's orbital inclination suggests a misalignment with GJ~504A rotation axis. We combine the radial velocity and multi-epoch imaging data to exclude additional objects (90\% prob.) more massive than 2.5 and 30 $\mathrm{M_{Jup}}$ with sma in the range 0.01-80 au for the young and old system ages, respectively. The companion is in the envelope of the population of planets synthetized with our core-accretion model.

연구 동기 및 목표

• 주성의 각지름과 병진도를 간섭계 측정을 통해 이용하여 GJ 504 시스템의 나이를 보다 정확히 추정한다.
• 이중대역 영상에서 확보한 1–4 µm 스펙트럼 에너지 분포(SED)를 이용하여 GJ 504b의 대기 파rameter를 제약한다.
• 다섯 개의 독립된 모델 격자(petitCODE, Exo-REM, BT-SETTL, Morley et al., ATMO) 간의 결과를 비교함으로써 대기 모델의 체계적 오차를 평가한다.
• 2011~2017년 동안의 복사속도와 고대비 영상 데이터를 융합하여 0.01~100 au 범위의 추가 위성에 대한 상한 질량을 설정한다.
• 궤도 피팅과 전용 형성 모델을 활용하여 GJ 504b의 형성 기원을 탐구한다.

제안 방법

• CHARA 간섭계를 사용하여 GJ 504A의 각지름을 측정하고, 이와 히파르코스 병진도를 융합하여 항성 반지름(1.35 ± 0.04 R☉)을 도출하였다.
• 도출된 반지름과 진화 궤적을 활용하여 21 ± 2 Myr 또는 4.0 ± 1.8 Gyr의 등시선 나이를 추정하였으며, 시야 경사각은 162.4° 또는 18.6°로 제약되었다.
• VLT/SPHERE의 IRDIS를 사용하여 GJ 504b의 이중대역 영상을 확보하여 1.02–2.25 µm 범위의 SED를 샘플링함으로써 대기 모델링을 수행하였다.
• 다섯 개의 대기 모델 격자(petitCODE, Exo-REM, BT-SETTL, Morley et al., ATMO)를 사용하여 SED를 피팅함으로써 효과적 온도, 중력, 금속성을 도출하였다.
• 특수 설계된 모델 격자를 활용하여 C/O 비율을 변화시켜 대기 화학의 영향을 평가하였다.
• 2011–2017년 기간의 대비 한계와 복사속도 데이터를 MESS2 도구를 사용하여 융합하여 0.01~100 au 범위의 추가 위성에 대한 제약을 설정하였다.
• 아스트로메트릭 측정을 기반으로 궤도 파rameter를 제약하기 위해 MCMC 피팅 도구를 적용하였다.
• 전용 형성 모델을 활용하여 행성 형성 이론의 맥락에서 GJ 504b의 기원을 탐구하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 간섭계 측정을 통해 도출된 항성 반지름이 GJ 504 시스템의 진정한 나이 추정에 어떻게 기여하는가?
• RQ2 GJ 504b의 대기 파rameter(Teff, log g, 금속성, C/O 비율)는 각기 다른 대기 모델 격자 간에서 어떻게 변화하는가?
• RQ3 다양한 대기 모델 간의 체계적 차이가 GJ 504b의 도출된 특성에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 0.01~100 au 범위의 궤도 간격에서 GJ 504 시스템 내 추가 위성의 상한 질량은 얼마인가?
• RQ5 GJ 504b의 궤도적 및 물리적 특성을 고려할 때, 가장 가능성 있는 형성 경로는 무엇인가?

주요 결과

• GJ 504A의 항성 반지름은 1.35 ± 0.04 R☉로 측정되었으며, 이로부터 21 ± 2 Myr 또는 4.0 ± 1.8 Gyr의 등시선 나이 추정치를 도출하였다.
• 항성 자전축의 시야 경사각은 162.4° ± 4.3° 또는 18.6° ± 4.3°로 제약되었으며, 이는 거의 편면 또는 면면 방향으로 향해 있음을 의미한다.
• GJ 504b는 Y2, Y3, J3, H2, K1 이중대역 영상에서 재검출되었으며, 이로 인해 1–4 µm 범위의 완전한 SED 분석이 가능해졌다.
• GJ 504b의 SED는 중간 연령(≤1.5 Gyr), 이국적인 먼지가 많은 대기 또는 초지구금속성 대기를 가진 T8–T9.5 천체에서 가장 잘 재현된다.
• 모든 대기 모델 격자에서 GJ 504b의 효과적 온도는 일관되게 550 ± 50 K로 도출되었으며, 이는 모델 간 체계적 오차를 반영한다.
• MES2와 복사속도 데이터를 융합하여 0.01~100 au 범위에서 추가 위성의 상한 질량을 도출하였으며, 이는 가능성이 있는 행성 또는 브라운 왜성 위성의 존재를 제약한다.