[论文解读] 17 new very low-mass members in Taurus. The brown dwarf deficit revisited

Sylvain Guieu, C. Dougados+3 more|CERN Bulletin|Sep 13, 2005

Astrophysics and Star Formation Studies被引用 58

一句话总结

本研究通过大规模光学巡天与光谱后续观测，在金牛座星形成区发现了17个新的非常低质量（VLM）和棕矮星（BD）成员，测得的亚恒星与恒星比例为0.23 ± 0.05——现与猎户座四边形星团一致，表明棕矮星并非本质上贫乏，而可能是由于动力学喷射导致在致密核心中空间分离。

ABSTRACT

Recent studies of the substellar population in the Taurus cloud have revealed a deficit of brown dwarfs (BD) compared to the Trapezium cluster population (Briceno et al 1998; Luhman 2000; Luhman et al 2003a; Luhman 2004). However, these works have concentrated on the highest stellar density regions of the Taurus cloud. We have performed a large scale optical survey of this region, covering a total area of 30 deg^2, and encompassing the densest part of the cloud as well as their surroundings, down to a mass detection limits of 15 Jupiter Masses (MJ). In this paper, we present the optical spectroscopic follow-up observations of 97 photometrically selected potential new low-mass Taurus members, of which 27 are strong late-M (SpT < M4V) candidates. These observations reveal 5 new very low mass (VLM) Taurus members and 12 new BDs. Combining our observations with previously published results, we derive an updated substellar to stellar ratio in Taurus of Rss =0.23 +/- 0.05. This ratio now appears consistent with the value previously derived in the Trapezium cluster under similar assumptions of 0.26 +/- 0.04. We find strong indication that the relative numbers of BDs with respect to stars is decreased by a factor 2 in the central regions of the aggregates with respect to the more distributed population. Our findings are best explained in the context of the embryo-ejection model where brown dwarfs originate from dynamical interactions in small N unstable multiple systems.

研究动机与目标

• 通过将巡天扩展至高密度区域之外，解决金牛座长期存在的‘棕矮星缺失’问题。
• 通过在大范围内识别VLM和BD成员，评估金牛座中真实的亚恒星初始质量函数（IMF）。
• 研究亚恒星天体的空间分布与吸积特性，以检验动力学喷射模型。
• 在一致假设下，比较金牛座与猎户座四边形星团的亚恒星与恒星比例。
• 评估棕矮星丰度的环境依赖性是否源于观测偏差，或物理过程如动力学喷射。

提出的方法

• 使用加拿大-法国-夏威夷望远镜（CFHT）和Megacam对金牛座约28 deg²区域进行广域光学巡天，达到i′ ≈ 20–24和z′ ≈ 21–23的深度，对应年龄≤5 Myr时15 M_J的质量探测极限。
• 基于颜色-星等图和颜色-颜色图筛选出97个光度候选体，重点关注晚期M型及亚恒星类型（光谱型≥M4V）。
• 通过光谱拟合与Na I等效宽度分析进行中分辨率光学光谱观测，以推导光谱型、视觉消光和光度分类。
• 通过颜色、光谱型、消光和径向速度的一致性评估成员资格，对M4V及更晚类型成员的完整度达87–90%。
• 通过Hα发射线过量及禁线发射（如[O I] 6300 Å）识别吸积特征，表明42%的亚恒星成员存在持续吸积。
• 结合先前巡天结果，计算更新后的亚恒星与恒星比例（ℛ_ss），并分析云内BD丰度的空间梯度。

实验结果

研究问题

• RQ1 金牛座中棕矮星的表观缺失是由于高密度区域的观测偏差，还是真实存在的物理贫乏？
• RQ2 当在包含低密度区域的大范围、代表性区域进行巡天时，金牛座的真实亚恒星与恒星比例是多少？
• RQ3 新发现的棕矮星和非常低质量恒星是否表现出与经典T Tauri星相似的吸积特征？
• RQ4 是否存在BD与恒星比例的空间梯度，即在致密星团核心区域BD丰度较低，而在更弥散区域较高？
• RQ5 金牛座中观测到的BD分布与丰度能否由不稳定多体系统中的动力学喷射（胚胎喷射模型）解释？

主要发现

• 本研究识别出17个新的金牛座成员，包括12个棕矮星和5个非常低质量恒星，其中42%的亚恒星成员表现出Hα发射，表明存在吸积。
• 更新后的金牛座亚恒星与恒星比例为ℛ_ss = 0.23 ± 0.05，现与在相似假设下测得的猎户座四边形星团的0.26 ± 0.04统计上一致。
• 在中心0.5 pc的致密聚集区，BD与恒星比例显著降低约2倍，与更弥散分布的群体相比，表明存在空间分离。
• 两颗VLM成员（CFHT-Tau 19和21）及四个BD（CFHT-Tau 6、8、11、12）表现出近红外过量与光学禁线发射，证实存在持续的吸积过程。
• 金牛座与猎户座四边形星团中ℛ_ss的相似性，结合BD丰度的空间梯度，支持胚胎喷射模型作为棕矮星形成的合理解释。
• 结果表明，来自不稳定小-N系统的动力学喷射可重现金牛座中观测到的BD空间分布与相对丰度，喷射速度≥1 km/s即可在2–3 Myr内将BD分散至1°范围。