[论文解读] ALMA observations of the nearby AGB star L2 Puppis - I. Mass of the central star and detection of a candidate planet

P. Kervella, W. Homan+5 more|Research Explorer (The University of Manchester)|Nov 18, 2016

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 61被引用 37

一句话总结

利用ALMA在350 GHz的高分辨率观测，本研究通过建模其开普勒气体盘，测得中心AGB星L2 Puppis的质量为0.659 ± 0.052 M☉，并探测到一颗位于2 AU处的候选伴星，质量为12 ± 16 M_Jup，可能为行星或棕矮星，为太阳在AGB阶段未来的行星系统提供了罕见的实时类比。

ABSTRACT

Six billion years from now, while evolving on the asymptotic giant branch (AGB), the Sun will metamorphose from a red giant into a beautiful planetary nebula. This spectacular evolution will impact the Solar System planets, but observational confirmations of the predictions of evolution models are still elusive as no planet orbiting an AGB star has yet been discovered. The nearby AGB red giant L2 Puppis (d = 64 pc) is surrounded by an almost edge-on circumstellar dust disk. We report new observations with ALMA at very high angular resolution (18 x 15 mas) in band 7 (f ~ 350 GHz) that allow us to resolve the velocity profile of the molecular disk. We establish that the gas velocity profile is Keplerian within the central cavity of the dust disk, allowing us to derive the mass of the central star L2 Pup A, mA = 0.659 +/- 0.011 +/- 0.041 Msun (+/- 6.6%). From evolutionary models, we determine that L2 Pup A had a near-solar main sequence mass, and is therefore a close analog of the future Sun in 5 to 6 Gyr. The continuum map reveals the presence of a secondary source (B) at a radius of 2 AU contributing fB/ fA = 1.3 +/- 0.1% of the flux of the AGB star. L2 Pup B is also detected in CO emission lines at a radial velocity of vB = 12.2 +/- 1.0 km/s. The close coincidence of the center of rotation of the gaseous disk with the position of the continuum emission from the AGB star allows us to constrain the mass of the companion to mB = 12 +/- 16 MJup. L2 Pup B is most likely a planet or low mass brown dwarf with an orbital period around 5 years. Its continuum brightness and molecular emission suggest that it may be surrounded by an extended molecular atmosphere or an accretion disk. L2 Pup therefore emerges as a promising vantage point on the distant future of our Solar System.

研究动机与目标

• 利用L2 Puppis周围分子气体盘的高分辨率ALMA观测，精确测量其中心AGB星的质量。
• 研究L2 Puppis周围环境中疑似伴星的存在及其性质，该伴星可能影响其双极星云的形态形成。
• 通过结合动力学质量与恒星演化模型，确定L2 Puppis的演化状态和初始质量。
• 基于其运动学和光度学特性，评估2 AU处探测到的次级源是行星、棕矮星还是致密尘埃和气体团块。
• 探讨该系统对理解类太阳恒星在AGB阶段行星系统生存能力的启示。

提出的方法

• 获取了高角分辨率（18 × 15 mas）的ALMA Band 7观测，中心频率约为350 GHz，以解析L2 Puppis周围分子气体盘的速度结构。
• 将观测到的气体速度分布建模为开普勒旋转，利用公式 M = (v²r)/G 推导中心恒星的动力学质量。
• 结合Hipparcos视差和恒星演化模型，估算L2 Puppis的初始主序质量及其当前年龄。
• 通过分析连续谱和CO发射图，探测到约2 AU处的次级源，测量其相对于中心恒星的流量比和径向速度。
• 通过系统动力学中心与中心恒星位置的一致性以及观测到的径向速度偏移，约束伴星的质量。
• 通过比较该源在时间上的持续性、形态特征和发射特性，评估其为尘埃团块等替代假设的可能性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于其周围星周气体盘的开普勒旋转，L2 Puppis中心AGB星的精确动力学质量是多少？
• RQ2 探测到的约2 AU处的次级源是行星质量伴星、棕矮星，还是瞬态尘埃团块，其运动学和光度学特性如何支持这一判断？
• RQ3 所测得的L2 Puppis质量与它的初始主序质量相比如何？这对其演化历史有何启示？
• RQ4 该伴星的轨道运动和发射特征能否由吸积盘或延伸的分子大气层解释？
• RQ5 该系统在多大程度上可作为太阳在AGB阶段未来演化的实时类比？

主要发现

• 中心恒星L2 Puppis A的动力学质量测定为0.659 ± 0.011 ± 0.041 M☉，总不确定性为±6.6%，主要受Hipparcos视差误差影响。
• 中心恒星的初始主序质量与太阳一致（接近1 M☉），表明其为约5–6 Gyr后太阳的密切类比。
• 在投影距离2 AU处探测到一个次级源（L2 Puppis B），其连续谱流量占中心恒星的1.3 ± 0.1%。
• 该伴星在CO发射线中被探测到，径向速度为12.2 ± 1.0 km s⁻¹，与围绕中心恒星的轨道运动一致。
• 伴星质量被约束在12 ± 16 M_Jup，倾向于行星或低质量棕矮星起源，但致密物质团块的可能性仍无法完全排除。
• 系统的形态特征，包括气体盘动力学中心与中心恒星的对齐，以及双极喷流的存在，支持存在一个紧凑且长期存在的伴星。