[论文解读] The GJ 504 system revisited. Combining interferometric, radial velocity, and high contrast imaging data

M. Bonnefoy, K. Perraut+80 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Jul 2, 2018

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 347被引用 21

一句话总结

本研究通过结合干涉测量、径向速度和高对比度成像数据，重新审视了GJ 504系统，以精炼其大质量伴星GJ 504b的年龄、轨道结构及大气特性。利用CHARA干涉仪，作者测得恒星半径为1.35 ± 0.04 R☉，由此得出等年龄线年龄为21 ± 2 Myr或4.0 ± 1.8 Gyr，并通过五组大气模型网格的多波段SED建模，将伴星的有效温度约束在550 ± 50 K，表明其大气具有中等年龄、尘埃丰富或超太阳金属量的特征。

ABSTRACT

The G-type star GJ504A is known to host a 3 to 35 MJup companion whose temperature, mass, and projected separation all contribute to make it a test case for the planet formation theories and for atmospheric models of giant planets and light brown dwarfs. We collected data from the CHARA interferometer, SOPHIE spectrograph, and VLT/SPHERE high contrast imager to revisit the properties of the system. We measure a radius of 1.35+/- 0.04Rsun for GJ504A which yields isochronal ages of 21+/-2Myr or 4.0+/-1.8Gyr for the system and line-of-sight stellar rotation axis inclination of $162.4_{-4.3}^{+3.8}$ degrees or $18.6_{-3.8}^{+4.3}$ degrees. We re-detect the companion in the Y2, Y3, J3, H2, and K1 dual band SPHERE images. The complete 1-4 $μ$m SED shape of GJ504b is best reproduced by T8-T9.5 objects with intermediate ages ($\leq1.5$Gyr), and/or unusual dusty atmospheres and/or super-solar metallicities. All six atmospheric models used yield $\mathrm{T_{eff}=550 \pm 50}$K for GJ504b and point toward a low surface gravity (3.5-4.0 dex). The accuracy on the metallicity value is limited by model-to-model systematics. It is not degenerate with the C/O ratio. We derive $\mathrm{log\:L/L_{\odot}=-6.15\pm0.15}$ dex for the companion compatible with masses of $\mathrm{M=1.3^{+0.6}_{-0.3}M_{Jup}}$ and $\mathrm{M=23^{+10}_{-9} M_{Jup}}$ for the young and old age ranges, respectively. The semi-major axis (sma) is above 27.8 au and the eccentricity lower than 0.55. The posterior on GJ~504b's orbital inclination suggests a misalignment with GJ~504A rotation axis. We combine the radial velocity and multi-epoch imaging data to exclude additional objects (90\% prob.) more massive than 2.5 and 30 $\mathrm{M_{Jup}}$ with sma in the range 0.01-80 au for the young and old system ages, respectively. The companion is in the envelope of the population of planets synthetized with our core-accretion model.

研究动机与目标

• 通过恒星角直径的干涉测量与视差数据，改进GJ 504系统的年龄测定。
• 利用双波段成像获得的完整1–4 µm谱能分布（SED），约束伴星GJ 504b的大气参数。
• 通过对比五组独立的大气模型网格（petitCODE、Exo-REM、BT-SETTL、Morley等、ATMO），评估大气模型中的系统性不确定度。
• 结合2011至2017年的径向速度与高对比度成像数据，为系统中额外伴星设定上限。
• 基于轨道拟合与专门的形成模型，探究GJ 504b的形成起源。

提出的方法

• 利用CHARA干涉仪测量GJ 504A的角直径，并结合Hipparcos视差数据，推导出恒星半径（1.35 ± 0.04 R☉）。
• 结合所推导的半径与演化轨迹，得出等年龄线年龄为21 ± 2 Myr或4.0 ± 1.8 Gyr，恒星自转轴视线倾角为162.4°或18.6°。
• 利用VLT/SPHERE上的IRDIS获取GJ 504b的双波段成像，覆盖1.02–2.25 µm波段，实现对SED的采样，支持大气建模。
• 采用五组大气模型网格（petitCODE、Exo-REM、BT-SETTL、Morley等、ATMO）对SED进行拟合，推导出有效温度、重力加速度与金属量。
• 通过专用模型网格探索碳氧比（C/O）变化的影响，评估大气化学效应。
• 结合2011–2017年间的对比度限制与径向速度数据，利用MESS2工具，对0.01至100 au轨道距离范围内的额外伴星进行约束。
• 应用MCMC拟合工具，基于天体测量数据约束GJ 504b的轨道参数。
• 利用专门的形成模型，结合行星形成理论，探讨GJ 504b的起源。

实验结果

研究问题

• RQ1 GJ 504系统的真正年龄是多少？由干涉测量得出的恒星半径如何影响该估计？
• RQ2 GJ 504b的大气参数（Teff、log g、金属量、C/O比）是多少？不同大气模型网格下的结果如何变化？
• RQ3 不同大气模型之间的系统性差异在多大程度上影响了GJ 504b的参数推导？
• RQ4 在0.01至100 au的轨道距离范围内，系统中额外伴星的质量上限是多少？
• RQ5 结合其轨道与物理特性，GJ 504b最可能的形成路径是什么？

主要发现

• GJ 504A的恒星半径测定为1.35 ± 0.04 R☉，由此得出的等年龄线年龄为21 ± 2 Myr或4.0 ± 1.8 Gyr。
• 恒星自转轴视线倾角被约束为162.4° ± 4.3°或18.6° ± 4.3°，与接近边缘朝向或正面朝向一致。
• 伴星GJ 504b在Y2、Y3、J3、H2和K1双波段图像中被重新探测到，支持1–4 µm完整SED分析。
• GJ 504b的SED最符合T8–T9.5型天体，具有中等年龄（≤1.5 Gyr）、异常尘埃大气或超太阳金属量的特征。
• 所有大气模型网格均得出GJ 504b的有效温度为550 ± 50 K，模型间存在系统性不确定度。
• 结合MESS2与径向速度数据，为0.01至100 au范围内的额外伴星设定了质量上限，约束了潜在的行星或棕矮星伴星。