[论文解读] Characterization of the gaseous companion {\kappa} Andromedae b: New Keck and LBTI high-contrast observations

M. Bonnefoy, Thayne Currie+65 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2013

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 34

一句话总结

本研究利用凯克望远镜/NIRC2和LBTI/LMIRCam对宽轨道气态巨行星伴星κ Andromedae b进行了新的高对比度成像观测，获得了其近红外波段的测光数据和谱谱能量分布。分析结合自适应光学数据与大气模型，约束了其温度（1900+100−200 K）、光度（log10(L/L⊙) = −3.76 ± 0.06）和质量（在“热启动”模型下为14+25−2 MJup），表明其位于棕矮星范畴，盘不稳定性是其可能的形成机制。

ABSTRACT

We previously reported the direct detection of a low mass companion at a projected separation of 55+-2 AU around the B9 type star {\kappa} Andromedae. The properties of the system (mass ratio, separation) make it a benchmark for the understanding of the formation and evolution of gas giant planets and brown dwarfs on wide-orbits. We present new angular differential imaging (ADI) images of the Kappa Andromedae system at 2.146 (Ks), 3.776 (L'), 4.052 (NB 4.05) and 4.78 {\mu}m (M') obtained with Keck/NIRC2 and LBTI/LMIRCam, as well as more accurate near-infrared photometry of the star with the MIMIR instrument. We derive a more accurate J = 15.86 +- 0.21, H = 14.95 +- 0.13, Ks = 14.32 +- 0.09 mag for {\kappa} And b. We redetect the companion in all our high contrast observations. We confirm previous contrasts obtained at Ks and L' band. We derive NB 4.05 = 13.0 +- 0.2 and M' = 13.3 +- 0.3 mag and estimate Log10(L/Lsun) = -3.76 +- 0.06. We build the 1-5 microns spectral energy distribution of the companion and compare it to seven PHOENIX-based atmospheric models in order to derive Teff = 1900+100-200 K. Models do not set constrains on the surface gravity. ``Hot-start" evolutionary models predict masses of 14+25-2 MJup based on the luminosity and temperature estimates, and considering a conservative age range for the system (30+120-10 Myr). ``warm-start" evolutionary tracks constrain the mass to M >= 11 MJup. Therefore, the mass of {\kappa} Andromedae b mostly falls in the brown-dwarf regime, due to remaining uncertainties in age and mass-luminosity models. According to the formation models, disk instability in a primordial disk could account for the position and a wide range of plausible masses of {\kappa} And b.

研究动机与目标

• 利用高对比度成像技术，改进对直接成像伴星κ Andromedae b的测光与光谱表征。
• 基于在Ks、L′、NB 4.05和M′波段的新观测，确定该伴星的近红外谱能量分布（SED）。
• 利用基于PHOENIX的大气模型与演化轨迹，约束κ Andromedae b的大气与演化特性。
• 基于其质量、轨道分离度与系统年龄，评估其形成机制，特别是盘不稳定性与核心吸积的相对可能性。
• 通过考虑初始条件与演化模型的不确定性，对系统的年龄与质量估计进行优化。

提出的方法

• 在Ks（2.146 µm）、L′（3.776 µm）、NB 4.05（4.052 µm）和M′（4.78 µm）波段，利用凯克/NIRC2与LBTI/LMIRCam获取高对比度的角差成像（ADI）数据。
• 采用针对抑制残余光斑噪声而专门设计的分析技术，从ADI数据中提取流量。
• 将所得测光结果与年轻及年老天体的参考样本进行比较，并与包含尘埃形成的7种PHOENIX基大气模型集合进行对比。
• 使用“热启动”与“温启动”演化模型估算质量，采用保守的年龄范围30+120−10 Myr。
• 应用专门的盘不稳定性形成模型，评估在大分离度下原位形成的可行性。
• 利用Huang & Gies（2006）的方法校正快速旋转主星的表面重力估计，以提高大气参数的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于新的高对比度观测，κ Andromedae b的近红外谱能量分布（SED）是什么？
• RQ2 该伴星的最佳拟合大气参数（有效温度、表面重力）是什么？
• RQ3 κ Andromedae b的估计质量是多少？其如何依赖于演化模型的假设？
• RQ4 原初盘中的盘不稳定性能否解释该伴星的观测位置与质量？
• RQ5 系统年龄与质量-光度关系的不确定性如何影响该伴星被归类为行星或棕矮星？

主要发现

• 该伴星在所有新的高对比度观测中（Ks、L′、NB 4.05、M′波段）均以高信噪比成功重新检测到。
• 测得的J、H、Ks、NB 4.05和M′星等分别为J = 15.86 ± 0.21，H = 14.95 ± 0.13，Ks = 14.32 ± 0.09，NB 4.05 = 13.0 ± 0.2，M′ = 13.3 ± 0.3 mag。
• 该伴星的光度为log10(L/L⊙) = −3.76 ± 0.06，其有效温度为1900+100−200 K，基于大气模型确定。
• 演化模型表明，在“热启动”假设下其质量为14+25−2 MJup，在“温启动”模型下质量M ≥ 11 MJup，年龄不确定性是质量不确定性的重要驱动因素。
• 由于年龄与质量-光度关系的不确定性，该天体的质量主要位于棕矮星范畴，尽管它也可能是一颗大质量气态巨行星。
• 原初盘中的盘不稳定性是κ Andromedae b的可行形成机制，与其中宽分离度和观测质量范围一致。