[论文解读] PEPSI deep spectra. III. A chemical analysis of the ancient planet-host star Kepler-444

Claude E. Mack, K. G. Strassmeier+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 63被引用 6

一句话总结

本研究利用 R ≈ 250,000 的 PEPSI 数据，对 K0V 型恒星 Kepler-444 进行了高分辨率、高信噪比的光谱分析，测定了 18 种元素的光球层丰度。结果表明，其五颗岩石行星的典型铁核心质量分数约为 24%，提示在金属丰度较低、α 元素增强的系统中，类地行星的密度可能低于金属丰度较高的系统。

ABSTRACT

We obtained an LBT/PEPSI spectrum with very high resolution and high signal-to-noise ratio (S/N) of the K0V host Kepler-444, which is known to host 5 sub-Earth size rocky planets. The spectrum has a resolution of R=250,000, a continuous wavelength coverage from 4230 to 9120A, and S/N between 150 and 550:1 (blue to red). We performed a detailed chemical analysis to determine the photospheric abundances of 18 chemical elements, in order to use the abundances to place constraints on the bulk composition of the five rocky planets. Our spectral analysis employs the equivalent width method for most of our spectral lines, but we used spectral synthesis to fit a small number of lines that require special care. In both cases, we derived our abundances using the MOOG spectral analysis package and Kurucz model atmospheres. We find no correlation between elemental abundance and condensation temperature among the refractory elements. In addition, using our spectroscopic stellar parameters and isochrone fitting, we find an age of 10+/-1.5 Gyr, which is consistent with the asteroseismic age of 11+/-1 Gyr. Finally, from the photospheric abundances of Mg, Si, and Fe, we estimate that the typical Fe-core mass fraction for the rocky planets in the Kepler-444 system is approximately 24 per cent. If our estimate of the Fe-core mass fraction is confirmed by more detailed modeling of the disk chemistry and simulations of planet formation and evolution in the Kepler-444 system, then this would suggest that rocky planets in more metal-poor and alpha-enhanced systems may tend to be less dense than their counterparts of comparable size in more metal-rich systems.

研究动机与目标

• 利用高分辨率光谱学精确测定古老、金属丰度较低的恒星 Kepler-444 中 18 种元素的光球层丰度。
• 评估恒星的化学组成是否限制其五颗类地大小岩石行星的总体组成。
• 检验金属丰度较低、α 元素增强的恒星是否因铁丰度较低而形成密度更低的岩石行星这一假设。
• 评估 Kepler-444 的光谱学年龄估计与星震学年龄估计（11 ± 1 Gyr）的一致性。
• 探索氧线是否可作为 K 型恒星的光谱学年龄指示器。

提出的方法

• 利用大型双子望远镜上的 PEPSI 光谱仪获取 Kepler-444 的高分辨率（R ≈ 250,000）和高信噪比（S/N ≈ 150–550）光谱。
• 对大多数谱线采用等效宽度法进行光谱分析，对复杂或重叠的谱线则采用光谱合成法。
• 使用 MOOG 光谱分析软件包与 Kurucz 模型大气结构计算元素丰度。
• 采用等距线拟合（YaPSI）和自转年龄关系法估算恒星年龄，并与星震学数据交叉验证。
• 应用简化的化学网络（Lodders & Seager 模型）将光球层丰度转换为冷凝物质量分数的估计值。
• 将铁核心质量分数计算为铁质量分数与铁和镁硅酸盐质量分数之和的比值。

实验结果

研究问题

• RQ1 在金属丰度较低、α 元素增强的恒星 Kepler-444 中，关键造岩元素（Mg、Si、Fe、O 等）的光球层丰度是多少？
• RQ2 观测到的元素丰度与凝聚温度之间的相关性如何？这对星子形成意味着什么？
• RQ3 基于恒星光球层丰度，Kepler-444 系统中岩石行星的铁核心质量分数估计值是多少？
• RQ4 Kepler-444 的光谱学年龄是否与 11 ± 1 Gyr 的星震学年龄一致？
• RQ5 [O i]-6300 和 O i 三重线是否可作为 K 型恒星（尤其是老年系统）的可靠年龄指示器？

主要发现

• Kepler-444 中难熔元素（T_C > 950 K）的元素丰度与凝聚温度之间无相关性，表明无显著的尘埃耗竭或分馏现象。
• 基于光谱参数和等距线拟合，恒星年龄估计为 10 ± 1.5 Gyr，与星震学年龄（11 ± 1 Gyr）一致。
• 从 Mg、Si 和 Fe 的光球层丰度比值推算，Kepler-444 系统中岩石行星的铁核心质量分数约为 24%。
• 该恒星为金属丰度较低（[Fe/H] ≈ -0.15 dex）且 α 元素增强（[α/Fe] ≈ 0.23 dex）的恒星，与厚盘起源及古老年龄一致。
• [O i]-6300 线与 O i 三重线得出的氧丰度一致，提示在 K 型矮星中可能存在一种新的光谱学年龄指示器。
• 重力沉降可能使 Kepler-444 的初始金属丰度降低了约 0.1 dex，暗示光球层丰度可能略微低估了初始原行星盘的组成。