[논문 리뷰] The SOPHIE search for northern extrasolar planets IX. Populating the brown dwarf desert

P. A. Wilson, G. Hébrard외 21명|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|2016. 02. 08.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 114인용 수 33

한 줄 요약

이 연구는 소형 항성 주위의 15개의 연성체를 특성화하기 위해 오랜 프로방스 관측소의 SOPHIE 분광계에서 확보한 도전 속도 측정치를 제시한다. 이 중 9개는 브라운 왜성 또는 질량이 큰 행성(13–70 M_Jup)으로 확인되었으며, 태양형 항성 주위 약 5 AU 이내에서 관측된 브라운 왜성의 부족 현상인 '브라운 왜성의 사막'을 상당히 메우고 있다. 연구는 히파르코스 천체측위 측정을 통해 궤도 매개변수를 개선하고 진짜 질량을 제약 조건으로 제시하여, 행성과 브라운 왜성 전이 영역에서의 형성 메커니즘을 이해하는 데 중요한 데이터를 제공한다.

ABSTRACT

Radial velocity planet search surveys of nearby Solar-type stars have shown a strong deficit of brown dwarf companions within $\sim5\,\mathrm{AU}$. There is presently no comprehensive explanation of this lack of brown dwarf companions, therefore, increasing the sample of such objects is crucial to understand their formation and evolution. Based on precise radial velocities obtained using the SOPHIE spectrograph at Observatoire de Haute-Provence we characterise the orbital parameters of $15$ companions to solar-type stars and constrain their true mass using astrometric data from the Hipparcos space mission. The nine companions not shown to be stellar in nature have minimum masses ranging from ~$13$ to $70\,\mathrm{M}_{\mathrm{Jup}}$, and are well distributed across the planet/brown dwarf mass regime, making them an important contribution to the known population of massive companions around solar-type stars. We characterise six companions as stellar in nature with masses ranging from a minimum mass of $76 \pm 4\,\mathrm{M}_{\mathrm{Jup}}$ to a mass of $0.35 \pm 0.03\,\mathrm{M_\odot}$. The orbital parameters of two previously known sub-stellar candidates are improved.

연구 동기 및 목표

• 태양형 항성 주위 약 5 AU 이내에서 관측된 브라운 왜성의 관측 부족 현상, 즉 '브라운 왜성의 사막'을 해결하기 위해.
• 도전 속도 조사에 의해 탐지된 15개의 연성체의 궤도 매개변수를 향상시키고 진짜 질량을 결정하기 위해.
• 도전 속도 데이터와 히파르코스의 천체측위 제약 조건을 사용하여, 저질량 천체(행성 대비 브라운 왜성)의 성격을 제약 조건으로 설정하기 위해.
• 질량과 궤도 특성에 기반하여 핵 축적과 중력 붕괴 시나리오를 구분함으로써 형성 메커니즘에 대한 논의에 기여하기 위해.

제안 방법

• 1.93m 망원경에 장착된 SOPHIE 분광계를 사용하여 도전 속도 측정치를 확보하였다.
• 도전 속도 시간 시리즈 데이터에 케플러 궤도를 피팅하여 궤도 매개변수를 유도하였다.
• 도전 속도 데이터와 히파르코스 우주 미션의 천체측위 측정치를 조합하여 연성체의 진짜 질량을 제약 조건으로 설정하였다.
• 최소 질량 추정치와 진화 모델과의 비교를 통해 연성체의 항성 또는 저질량 천체 성격을 평가하였다.
• 스펙트럼 유형과 효율 온도를 사용하여 주계성의 분류를 수행하고 질량-반지름 관계를 정보화하였다.
• 데우테리움 연소 한계(13 M_Jup)를 저질량 천체 질량 분류의 기준으로 사용하였지만, 형성 메커니즘은 직접적으로 유추하지 않았다.

Figure 1: Bisector span as a function of radial velocity for all the targets in the sample. The dashed line represents a zero bisector span and is shown as a reference.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 태양형 항성 주위의 내부 5 AU에서 질량이 큰 연성체(13–70 M_Jup)의 진짜 질량과 궤도 매개변수 분포는 어떻게 되는가?
• RQ2 히파르코스의 천체측위 제약 조건은 도전 속도로 탐지된 연성체의 질량 결정에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 관측된 연성체가 13–70 M_Jup 질량 범위에서 '브라운 왜성의 사막'을 어느 정도 메우는가?
• RQ4 질량과 궤도 특성에 기반하여, 연성체의 일부가 브라운 왜성인지, 저질량 항성인지의 비율은 어느 정도인가?
• RQ5 기존에 알려진 저질량 천체 후보의 궤도 매개변수가 새로운 도전 속도 데이터로 어떻게 향상되는가?

주요 결과

• 9개의 연성체가 최소 질량가 13~70 M_Jup 사이로 저질량 천체로 확인되었으며, 행성과 브라운 왜성의 질량 영역에 걸쳐 균일하게 분포되어 있다.
• 6개의 연성체는 항성 성격으로 분류되었으며, 질량 범위는 76 ± 4 M_Jup에서 0.35 ± 0.03 M_sun 사이였다.
• 기존에 알려진 두 개의 저질량 천체 후보의 궤도 매개변수가 새로운 도전 속도 데이터로 상당히 향상되었다.
• 도전 속도 데이터와 히파르코스 천체측위 데이터의 조합을 통해 진짜 질량이 제약 조건으로 설정되었으며, 질량 추정치의 불확실성이 감소하였다.
• 이 샘플은 '브라운 왜성의 사막'을 상당 부분 메우며, 형성 이론 검증을 위한 중요한 데이터를 제공한다.
• 이 연구는 브라운 왜성의 사막이 궤도 매개변수 공간에서 여전히 중요한 특징임을 확인하였으며, 1~5 AU 범위에서 브라운 왜성의 집단에 강력한 증거가 없다는 점을 확인하였다.

Figure 2: Top: Astrometric orbit of HD 6664 projected on the sky. North is up and east is left. The solid red line shows the orbital solution, which is orientated clockwise, and open circles mark the individual Hipparcos measurements. The dashed lines represents the scan angle which connects these o