[论文解读] Atmospheric Compositions of Three Brown Dwarfs and Implications for their Formation Conditions

Nikku Madhusudhan, Dániel Apai+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 9, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 5被引用 3

一句话总结

本研究分析了三颗中T型棕矮星的高信噪比哈勃空间望远镜近红外光谱，以推导其大气化学丰度，发现其金属丰度和C/O比值均低于太阳系水平，C/O比值在0.4至1.0之间。这些成分特征表明棕矮星更可能通过盘吸积后被弹射形成，而非孤立引力坍缩形成，提示棕矮星或可揭示早期银河系化学不均一性。

ABSTRACT

The formation mechanisms and chemical compositions of brown dwarfs likely span a diverse range. If they are formed predominantly in isolation by gravitational collapse like dwarf stars then their compositions might follow those of dwarf stars, spanning a relatively narrow range in metallicities (~ -0.4 to +0.4 dex) and predominantly oxygen-rich (C/O 0.5~dex), which is thought to be a consequence of formation by core-accretion in a circumstellar disk. In this study we determine the atmospheric chemical compositions of three brown dwarfs and find them to be neither characteristic of dwarf stars nor giant planets. We derive high-precision atmospheric chemical abundances using high-S/N HST near-infrared spectra of three mid T Dwarfs which, together with two previously studied objects, display distinctly sub-solar metallicities and span C/O ratios of 0.4-1.0. These abundance patterns indicate either an old sub-stellar population and a multitude of formation environments or objects formed in circumstellar disks followed by ejection later. We show that for a simple synthetic model population of brown dwarfs with the same spectral-type as our sample the predicted age distribution is predominantly older than the Sun and, hence, more metal poor, consistent with our derived abundances. The diverse C/O ratios we find are indicative of either different chemical reservoirs in their formation environments or different formation pathways. Our results open the possibility that cool brown dwarfs may provide important probes of early galactic chemical evolution and inhomogeneity.

研究动机与目标

• 利用高分辨率哈勃空间望远镜数据，确定三颗中T型棕矮星的大气化学组成。
• 通过对比恒星和气态巨行星的化学丰度，研究棕矮星的形成机制。
• 评估所观测到的化学成分是否与孤立引力坍缩或盘基形成后被弹射的形成模型一致。
• 评估推导出的化学丰度对银河系化学演化及棕矮星年龄分布的影响。
• 检验棕矮星的合成群体模型是否能重现观测到的化学丰度模式和年龄分布。

提出的方法

• 利用哈勃空间望远镜的WFC3仪器对三颗中T型棕矮星进行高信噪比近红外光谱观测。
• 采用大气反演分析方法，从光谱数据中推导化学丰度、温度分布和云层覆盖情况。
• 应用辐射转移和化学平衡模型，解释观测光谱并推断大气特性。
• 构建一个包含亚恒星初始质量函数和可变形成率的简化合成群体模型，以模拟年龄和重力分布。
• 将模型预测与观测到的化学丰度模式进行比较，评估其与形成假说的一致性。
• 整合此前研究的两颗棕矮星数据，形成包含五颗T型棕矮星的样本，以进行对比分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 中T型棕矮星的大气成分是否与恒星的孤立引力坍缩预期一致？
• RQ2 观测到的亚太阳系金属丰度和可变的C/O比值是否与气态巨行星中常见的原恒星盘内核心吸积形成机制一致？
• RQ3 中T型棕矮星的年龄分布对它们的形成历史和金属丰度演化有何启示？
• RQ4 合成群体模型能否重现T型棕矮星的观测化学丰度模式和年龄分布？
• RQ5 棕矮星在多大程度上可作为早期银河系化学演化和不均一富集过程的探测工具？

主要发现

• 三颗中T型棕矮星的碳、氧和氮的金属丰度均低于太阳系水平，[C/H]和[O/H]值低于太阳。
• 三颗天体的C/O比值在0.4至1.0之间，表明样本中存在显著的化学多样性。
• 推导出的化学丰度与孤立引力坍缩形成模型不一致，后者预测应为太阳或超太阳系金属丰度及更低的C/O比值。
• 模拟的中T型棕矮星群体年龄分布以年龄超过太阳系的天体为主，与观测到的亚太阳系金属丰度一致。
• 观测到的化学丰度模式最合理的解释是：在原恒星盘中形成后被动力弹射，与自由漂浮的气态巨行星类似。
• 结果表明，冷棕矮星或可作为早期银河系化学演化及不均一富集过程的宝贵探测工具。