[论文解读] Chemical abundances of 1111 FGK stars from the HARPS GTO planet search program.Galactic stellar populations and planets

V. Adibekyan, S. G. Sousa+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2012

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 69被引用 263

一句话总结

本研究基于HARPS GTO系外行星搜寻计划的1,111颗FGK型恒星，采用局部热动平衡（LTE）光谱合成与MOOG代码，对12种难熔元素进行了统一、高精度的丰度分析。结果确认，类木行星宿主恒星在所有元素中均表现出强烈的金属量增强；而海王星类/超级类地行星宿主恒星在α-元素上表现出明显且突然的[ X/H ]下限，表明金属量在它们的形成过程中起关键作用；此外，研究还揭示了Al、Sc、Co和Ca在化学上区分的薄盘与厚盘恒星群体。

ABSTRACT

We performed a uniform and detailed abundance analysis of 12 refractory elements (Na, Mg, Al, Si, Ca, Ti, Cr, Ni, Co, Sc, Mn and V) for a sample of 1111 FGK dwarf stars from the HARPS GTO planet search program. 109 of these stars are known to harbour giant planetary companions and 26 stars are hosting exclusively Neptunians and super-Earths. The main goals of this paper are i) to investigate whether there are any differences between the elemental abundance trends for stars of different stellar populations; ii) to characterise the planet host and non-host samples in term of their [X/H]. The extensive study of this sample, focused on the abundance differences between stars with and without planets will be presented in a parallel paper. The equivalent widths of spectral lines are automatically measured from HARPS spectra with the ARES code. The abundances of the chemical elements are determined using a LTE abundance analysis relative to the Sun, with the 2010 revised version of the spectral synthesis code MOOG and a grid of Kurucz ATLAS9 atmospheres. To separate the Galactic stellar populations we applied both a purely kinematical approach and a chemical method. We found that the chemically separated (based on the Mg, Si, and Ti abundances) thin and thick discs are also chemically disjunct for Al, Sc, Co and Ca. Some bifurcation might also exist for Na, V, Ni, and Mn, but there is no clear boundary of their [X/Fe] ratios. We confirm that an overabundance in giant-planet host stars is clear for all the studied elements.We also confirm that stars hosting only Neptunian-like planets may be easier to detect around stars with similar metallicities as non-planet hosts, although for some elements (particulary alpha-elements) the lower limit of [X/H] are very abrupt.

研究动机与目标

• 调查不同银河系恒星群体（薄盘与厚盘）之间在元素丰度趋势上的差异。
• 以[ X/H ]为指标，表征系外行星宿主恒星（类木行星、海王星类、超级类地行星）与非宿主恒星的化学组成。
• 通过一致的光谱技术，在大规模同质样本中评估丰度测量的可靠性与一致性。
• 确定动力学与化学群体分离方法在太阳邻近区恒星群体识别中是否得出一致结果。
• 考察金属量与α-元素在行星形成中的作用，特别是对低质量行星的影响。

提出的方法

• 利用ARES代码在高分辨率HARPS光谱上测量谱线等效宽度（EWs）。
• 通过MOOG光谱合成代码与Kurucz ATLAS9模型大气进行局部热动平衡（LTE）分析，确定元素丰度。
• 采用基于Mg、Si、Ti的动力学与化学方法，对薄盘与厚盘恒星进行分离。
• 使用Sousa等人（2008, 2011）中通过一致光谱分析获得的恒星参数（Teff, log g, [Fe/H], 微湍流）。
• 通过改变大气参数进行误差分析，评估[ X/H ]对Teff、log g与微湍流不确定性的敏感度。
• 对[Fe/H]与Teff施加截断，以最小化丰度趋势中的系统性偏差。

实验结果

研究问题

• RQ1 在α-元素之外，薄盘与厚盘恒星在难熔元素中是否存在显著的化学差异？
• RQ2 与非宿主恒星相比，类木行星宿主恒星是否在所有研究元素中表现出一致的过量丰度？
• RQ3 仅宿主海王星类或超级类地行星的恒星是否在α-元素中表现出独特的丰度模式？
• RQ4 动力学与化学群体分离方法在识别恒星群体方面的一致性如何？
• RQ5 在海王星类宿主恒星中，某些元素的[ X/H ]是否存在明显的边界或突然的下限，提示形成限制？

主要发现

• 通过化学方法分离的薄盘与厚盘恒星在Al、Sc、Co和Ca的[ X/Fe ]上表现出明显的分离，超出已知的Mg、Si与Ti的区分。
• 金属量贫乏且α-元素增强的恒星其丰度趋势与金属量丰富的恒星系统性不同，表明其形成历史存在差异。
• 类木行星宿主恒星在所有12种研究元素中均表现出显著的过量丰度，支持行星形成的核吸积模型。
• 海王星类/超级类地行星宿主恒星在α-元素（尤其是Mg）的[ X/H ]上表现出突然的下限，其中Mg的丰度差异最大（[Mg/H] ≈ 0.09 dex）。
• 仅宿主海王星类行星的恒星在相似金属量下比非宿主恒星更容易被探测到，表明此类行星存在金属量阈值。
• 在薄盘与厚盘恒星之间，Na、V、Ni与Mn的[ X/Fe ]比值中未见明显边界，尽管有部分分叉迹象。