[论文解读] Planet Signatures In The Chemical Composition Of Sun-Like Stars

J. Meléndez, I. Ramírez|arXiv (Cornell University)|Nov 13, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 4被引用 5

一句话总结

本文研究类太阳恒星中行星形成的化学特征，识别出难熔元素亏损与锂元素富集作为行星吸积和核心形成的指标。通过高精度的太阳孪生星与双星的光谱分析，研究发现太阳的难熔元素亏损程度约为0.01 dex，且与凝聚温度强烈相关，为行星形成在恒星成分上留下的印记提供了有力证据。

ABSTRACT

There are two possible mechanisms to imprint planet signatures in the chemical composition of Sun-like stars: i) dust condensation at the early stages of planet formation, causing a depletion of refractory elements in the gas accreted by the star in the late stages of its formation; ii) planet engulfment, enriching the host star in lithium and refractory elements. We discuss both planet signatures, the influence of galactic chemical evolution, and the importance of binaries composed of stellar twins as laboratories to verify abundance anomalies imprinted by planets.

研究动机与目标

• 识别类太阳恒星大气中行星形成的化学印记。
• 将银河系化学演化（GCE）的影响与行星特征在恒星丰度趋势中的作用区分开来。
• 利用太阳孪生星与系外行星宿主双星作为高精度实验室，隔离行星特征。
• 检验类似太阳和开普勒-10的恒星中观测到的丰度异常是否由行星形成引起，而非恒星年龄或星族效应。
• 评估行星吞噬与尘埃凝聚在改变恒星表面成分中的作用。

提出的方法

• 对太阳孪生星与双星中的恒星孪生体进行逐条谱线差分丰度分析，利用高分辨率、高信噪比光谱以最小化系统误差。
• 将恒星丰度与凝聚温度（Tcond）进行比较，以检测与行星形成期间难熔元素隔离相关的相关性。
• 利用厚盘等星族的年龄与金属量趋势，对银河系化学演化（GCE）效应进行校正。
• 分析[Mg/Fe]、[Y/Mg]与[Y/Al]等丰度比值，作为GCE的示踪剂及其对Tcond趋势的影响。
• 利用锂丰度作为近期行星吞噬的示踪剂，因锂在演化恒星中会迅速被破坏。
• 应用具有周期性吸积的恒星演化模型，以解决原行星盘消散与对流区收缩时间尺度之间的不匹配问题。

实验结果

研究问题

• RQ1 类太阳恒星中难熔元素的亏损是否可归因于行星形成，而非恒星演化或银河系化学演化？
• RQ2 银河系化学演化在多大程度上影响了恒星丰度中观测到的Tcond趋势？
• RQ3 太阳孪生星中的锂元素富集是否可与岩石行星或行星核心的吸积联系起来？
• RQ4 由恒星孪生体组成的系外行星宿主双星如何帮助隔离行星特征与其他恒星效应？
• RQ5 如行星迁移与吞噬等动力学过程在多大程度上改变了宿主恒星的化学成分？

主要发现

• 太阳相对于太阳孪生星表现出约0.01 dex的难熔元素亏损，且与凝聚温度高度相关（偶然性p < 10−9）。
• 对太阳孪生星进行高精度差分丰度分析，证实太阳是难熔元素最贫乏的恒星之一，支持其与行星形成的关联。
• 行星吞噬可解释类似HIP 68468的恒星中锂与难熔元素的增强，可能有高达6倍地球质量的岩石物质被吸积。
• 太阳孪生星中的Tcond趋势不能完全由恒星年龄或银河系径向距离解释，尽管GCE引入了必须校正的散射。
• 像16 Cyg A这样的恒星若具有锂和难熔元素增强，可能已吞噬了一颗行星，表明其存在行星吸积的历史。
• 周期性吸积模型将对流区收缩时间缩短至约5 Myr，解决了原行星盘消散与对流区演化之间的时间尺度矛盾。