[论文解读] Metallicity of M dwarfs I. A photometric calibration and impact on the mass-luminosity relation at the bottom of the main sequence

X. Bonfıls, X. Delfosse+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2005

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 35被引用 207

一句话总结

本文利用宽距双星系统中与M型星共演化、光谱型为F、G和K型的伴星所估算的金属量，提出了一种M型星的测光金属量校准方法，表明金属量可解释V波段质量-光度关系中绝大部分的固有离散性。该校准方法精度达±0.2 dex，可利用V波段和K波段测光数据及视差，对低质量恒星进行精确的金属量估算，并表明已知的M型星系系行星宿主Gl 876和Gl 436的金属量接近太阳值。

ABSTRACT

We obtained high resolution ELODIE and CORALIE spectra for both components of 20 wide visual binaries composed of an F-, G- or K-dwarf primary and an M-dwarf secondary. We analyse the well understood spectra of the primaries to determine metallicities ([Fe/H]) for these 20 systems, and hence for their M dwarf components. We pool these metallicities with determinations from the literature to obtain a precise (+- 0.2 dex) photometric calibration of M dwarf metallicities. This calibration represents a breakthrough in a field where discussions have had to remain largely qualitative, and it helps us demonstrate that metallicity explains most of the large dispersion in the empirical V-band mass-luminosity relation. We examine the metallicity of the two known M-dwarf planet-host stars, Gl 876 (+0.02 dex) and Gl 436 (-0.03 dex), in the context of preferential planet formation around metal-rich stars. We finally determine the metallicity of the 47 brightest single M dwarfs in a volume limited sample, and compare the metallicity distributions of solar-type and M-dwarf stars in the solar neighbourhood.

研究动机与目标

• 开发一种精确、基于实测数据的M型星金属量测光校准方法，因为直接的光谱分析受分子吸收特征的限制。
• 量化金属量在非常低质量恒星V波段质量-光度关系中观测到的显著固有离散性中的作用。
• 在类太阳恒星中观测到的金属量-行星形成相关性的背景下，确定已知M型星系系行星宿主Gl 876和Gl 436的金属量。
• 将邻近M型星的金属量分布与太阳邻域类太阳恒星的金属量分布进行比较，评估可能存在的年龄或演化差异。

提出的方法

• 利用高分辨率ELODIE和CORALIE光谱仪对20个宽距双星系统中M型星伴星的主星进行观测，以精确测定其[Fe/H]金属量。
• 假设双星系统中两颗恒星共演化且组成相同，借助F、G和K型主星的光谱特征明确的特性，推断M型星的金属量。
• 结合新获得和文献中的金属量测量结果，建立基于V波段和K波段星等及视差的测光金属量估算器。
• 将该校准方法应用于47颗明亮、体积受限的M型星，构建太阳邻域的金属量分布。
• 利用校准后的金属量重新分析V波段质量-光度关系，评估其离散性。
• 比较太阳邻域中M型星与类太阳恒星的金属量分布，以推断恒星族特征的潜在差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 金属量在M型星V波段质量-光度关系中观测到的显著固有离散性中占多大程度的解释作用？
• RQ2 尽管光谱结构复杂，是否仍可为非常低质量恒星（0.2–0.8 M⊙）建立可靠的测光金属量校准？
• RQ3 根据在类太阳恒星中观测到的行星-金属量相关性，已知的两颗M型星系系行星宿主Gl 876和Gl 436是否如预期般为金属富集？
• RQ4 太阳邻域中类太阳恒星与M型星的金属量分布如何比较？这可能对它们的形成或演化提出何种启示？

主要发现

• V波段质量-光度关系表现出显著的固有离散性（±1 mag），其主要成因是金属量变化，而非测量误差或模型缺陷。
• 建立了一种测光金属量校准方法，不确定性为±0.2 dex，适用于0.2至0.8 M⊙的M型星，基于V波段和K波段测光数据及视差。
• Gl 876的金属量为+0.02 dex，Gl 436为−0.03 dex，表明其金属量接近太阳值，与在更高质量恒星中观测到的行星-金属量相关性一致。
• 47颗明亮、体积受限的M型星的金属量分布与类太阳恒星相比存在微小但可能具有统计意义的差异，可能反映M型星平均年龄更老。
• 该校准通过与独立的M型星光谱分析结果（Woolf & Wallerstein 2005）的一致性得到验证，证实了双星系统中组成相同的假设。
• 5%的视差不确定性会引入约0.2 dex的额外金属量不确定性，因此该校准方法的适用范围受限于约50 pc以内。