[论文解读] First light of the VLT planet finder SPHERE. II. The physical properties and the architecture of the young systems PZ Tel and HD 1160 revisited

A.-L. Maire, M. Bonnefoy+69 more|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2015

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 139被引用 63

一句话总结

本研究利用SPHERE调试数据及多波段观测，重新审视了年轻系统PZ Tel和HD 1160的物理特性与轨道结构。研究通过‘热启动’模型和改进的天体测量，进一步精确了其伴星的质量、温度与亮度，确认了轨道偏心率和俯仰角，并对0.25′′以外的亚恒星伴星设定了更严格的约束。

ABSTRACT

[Abridged] Context. The young systems PZ Tel and HD 1160, hosting known low-mass companions, were observed during the commissioning of the new planet finder SPHERE with several imaging and spectroscopic modes. Aims. We aim to refine the physical properties and architecture of both systems. Methods. We use SPHERE commissioning data and REM observations, as well as literature and unpublished data from VLT/SINFONI, VLT/NaCo, Gemini/NICI, and Keck/NIRC2. Results. We derive new photometry and confirm the nearly daily photometric variability of PZ Tel A. Using literature data spanning 38 yr, we show that the star also exhibits a long-term variability trend. The 0.63-3.8 mic SED of PZ Tel B allows us to revise its properties: spectral type M7+/-1, Teff=2700+/-100 K, log(g)<4.5 dex, log(L/L_Sun)=-2.51+/-0.10 dex, and mass 38-72 MJ. The 1-3.8 mic SED of HD 1160 B suggests a massive brown dwarf or a low-mass star with spectral type M5.5-7.0, Teff=3000+/-100 K, [M/H]=-0.5-0.0 dex, log(L/L_Sun)=-2.81+/-0.10 dex, and mass 39-168 MJ. We confirm the deceleration and high eccentricity (e>0.66) of PZ Tel B. For e<0.9, the inclination, longitude of the ascending node, and time of periastron passage are well constrained. The system is seen close to an edge-on geometry. We reject other brown dwarf candidates outside 0.25" for both systems, and massive giant planets (>4 MJ) outside 0.5" for the PZ Tel system. We also show that K1-K2 color can be used with YJH low-resolution spectra to identify young L-type companions, provided high photometric accuracy (<0.05 mag) is achieved. Conclusions. SPHERE opens new horizons in the study of young brown dwarfs and giant exoplanets thanks to high-contrast imaging capabilities at optical and near-infrared wavelengths, as well as high signal-to-noise spectroscopy in the near-infrared from low (R~30-50) to medium resolutions (R~350).

研究动机与目标

• 利用高对比度成像与光谱学，精确测定年轻系统PZ Tel与HD 1160中伴星的物理特性。
• 基于改进的天体测量数据，重新评估PZ Tel B的轨道结构，包括其偏心率与倾角。
• 利用SPHERE探测极限与演化模型，约束0.25′′以外额外亚恒星伴星的存在。
• 评估推导出的有效温度与亮度是否与恒星年龄及金属量估计一致。
• 评估$K1-K2$色指数与低分辨率光谱在识别年轻L型伴星中的有效性。

提出的方法

• 在甚大望远镜（VLT）上获取SPHERE调试数据，涵盖成像与光谱模式，使用IRDIS、IFS与ZIMPOL仪器。
• 将SPHERE数据与VLT/SINFONI、VLT/NaCo、Gemini/NICI及Keck/NIRC2的档案与未发表数据结合，实现多波段覆盖。
• 构建PZ Tel B在0.63–3.8 μm与HD 1160 B在1–3.8 μm波段的谱能分布（SED），以推导物理参数。
• 应用‘热启动’演化模型，基于推导出的有效温度与亮度估算质量。
• 利用精度优于3 mas的天体测量数据，约束轨道参数并检验轨道运动。
• 评估$K1-K2$色指数与$YJH$低分辨率光谱，以识别年轻L型伴星并评估金属量指示因子。

实验结果

研究问题

• RQ1 伴星PZ Tel B的精确物理特性（光谱型、有效温度、表面重力、亮度与质量）为何？
• RQ2 PZ Tel B的轨道参数（尤其是偏心率与倾角）如何约束该系统的轨道结构？
• RQ3 HD 1160 B的质量与物理状态为何？其SED与演化模型是否表明其位于棕矮星或低质量恒星区域？
• RQ4 能否将$K1-K2$色指数与$YJH$光谱作为可靠指标，用于识别年轻L型伴星？
• RQ5 基于SPHERE数据与‘热启动’模型，PZ Tel与HD 1160系统中额外亚恒星伴星的探测极限为何？

主要发现

• PZ Tel B的光谱型修订为M7 ± 1，有效温度为2700 ± 100 K，log(g) < 4.5 dex，亮度log(L/L☉) = -2.51 ± 0.10 dex，基于‘热启动’模型的质量范围为38–72 M_J。
• HD 1160 B的光谱型为M6.0⁺¹·⁰₋₀·⁵，有效温度为3000 ± 100 K，金属量低于太阳[ M/H] = -0.5至0.0 dex，亮度log(L/L☉) = -2.81 ± 0.10 dex，质量范围为39–168 M_J。
• PZ Tel B的轨道分析确认其具有高偏心率（e > 0.66）与俯仰角，且恒星与伴星轨道均与近乎俯仰角的系统一致。
• 对于HD 1160 C，推导出的有效温度为3260 ± 100 K，与先前估计一致，其质量基于温度估算为205⁺⁷²₋₅₁ M_J，基于亮度估算为244⁺¹¹₃₋₇₀ M_J。
• 系统年龄为100⁺²⁰₀₋₇₀ Myr，略微支持HD 1160 B处于亚恒星区域，但不确定性无法排除其为低质量恒星的可能性。
• SPHERE的改进天体测量精度（分离精度<3 mas，方位角精度≤0.2°）使未来探测轨道运动成为可能，且探测极限排除了在PZ Tel系统中0.25′′以外存在棕矮星伴星，以及在0.5′′以外存在质量超过3 M_J的巨行星。