[论文解读] The Primordial Binary Population - I: A near-infrared adaptive optics search for close visual companions to A star members of Scorpius OB2

M. B. N. Kouwenhoven, A. G. A. Brown+3 more|ArXiv.org|Oct 5, 2004

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 55被引用 119

一句话总结

本研究利用近红外自适应光学技术，在天蝎座 OB2 协会中搜寻 A 型恒星的近距离光学伴星，识别出 74 个候选物理伴星，并揭示在 12–14 mag 的 K_S 波段范围内存在低质量伴星（M ≲ 0.1 M☉）的缺失。结果表明，存在一个原始双星种群，其质量比分布与随机配对不一致，且暗示可能存在棕矮星空隙，支持棕矮星的胚胎喷射形成模型。

ABSTRACT

We present the results of a near-infrared adaptive optics survey with the aim to detect close companions to Hipparcos members in the three subgroups of the nearby OB association Sco OB2: Upper Scorpius (US), Upper Centaurus Lupus (UCL) and Lower Centaurus Crux (LCC). We have targeted 199 A-type and late B-type stars in the Ks band, and a subset also in the J and H band. We find 151 stellar components other than the target stars. A brightness criterion is used to separate these components into 77 background stars and 74 candidate physical companion stars. Out of these 74 candidate companions, 41 have not been reported before (14 in US; 13 in UCL; 14 in LCC). Companion star masses range from 0.1 to 3 Msun. The mass ratio distribution follows f(q) = q^-0.33, which excludes random pairing. No close (rho < 3.75'') companion stars or background stars are found in the magnitude range 12 < Ks < 14. The lack of stars with these properties cannot be explained by low-number statistics, and may imply a lower limit on the companion mass of ~ 0.1 Msun. Close stellar components with Ks > 14 are observed. If these components are very low-mass companion stars, a gap in the companion mass distribution might be present. The small number of close low-mass companion stars could support the embryo-ejection formation scenario for brown dwarfs. Our findings are compared with and complementary to visual, spectroscopic, and astrometric data on binarity in Sco OB2. We find an overall companion star fraction of 0.52 in this association. This paper is the first step toward our goal to derive the primordial binary population in Sco OB2.

研究动机与目标

• 通过探测 A 型恒星的近距离光学伴星，表征天蝎座 OB2 协会中的原始双星种群。
• 利用高分辨率近红外成像，确定三个天蝎座 OB2 子群（US、UCL、LCC）中伴星的多重性分数和质量比分布。
• 研究现有双星调查中的观测偏差和选择效应，并通过合成建模进行校正。
• 检验如下假设：在小角分离处缺乏暗淡伴星，是否表明伴星存在质量下限（~0.1 M☉）或伴星质量函数中存在间隙。
• 通过结合观测数据与 N 体模拟及合成调查，为推导真实的原始双星种群奠定基础。

提出的方法

• 在天蝎座 OB2 子群（上天蝎座、上半人马座-路西塔尼亚、下半人马座-克鲁克斯）的 199 颗 A 型及晚期 B 型恒星上，使用 K_S、J 和 H 波段进行了近红外自适应光学调查。
• 采用测光和天体测量标准区分背景恒星与物理伴星，对每颗恒星应用单独的视 parallax 和消光修正，以推导绝对星等。
• 基于 5 Myr（上天蝎座）和 20 Myr（UCL 和 LCC）的年龄假设，利用预主序等温线从 K_S 星等估算质量。
• 分析质量比分布 f(q) = q^−Γ，发现 Γ = 0.33，表明非随机配对且低质量伴星显著缺失。
• 量化每十年角分离范围内的伴星分数 F_C，发现 ρ ≤ 3.75′′ 时 F_C = 0.25，高于 B 型星或主序前星的伴星分数。
• 使用包含恒星和双星演化的合成 N 体模拟，模拟测光、自适应光学成像和 Hipparcos 数据，以量化并校正观测偏差。

实验结果

研究问题

• RQ1 在角分离 0.22″ 至 12.4″ 范围内，A 型恒星在天蝎座 OB2 的多重性分数是多少？其在各子群中如何变化？
• RQ2 在小角分离处，12 mag ≤ K_S ≤ 14 mag 范围内伴星缺失，是由于观测偏差还是伴星质量的物理限制？
• RQ3 质量比分布 f(q) = q^−Γ 且 Γ = 0.33 是否表明原始双星种群与随机配对不一致？
• RQ4 在小分离处缺乏暗淡伴星，是否可由 ~0.1 M☉ 的质量下限解释，或是否暗示伴星质量函数中存在间隙？
• RQ5 恒星和动力学演化在多大程度上随时间改变原始双星种群？合成建模如何校正观测偏差？

主要发现

• 共识别出 74 个候选物理伴星，其中 41 个为新发现（US 中 14 个，UCL 中 13 个，LCC 中 14 个），投影分离距离在 130 pc 距离下为 28.6 AU 至 1612 AU。
• 质量比分布符合 f(q) = q^−0.33，表明与随机配对相比，低质量伴星显著缺失，Γ = 0.33 排除了随机分布的可能性。
• 在角分离 ≤ 3.75″ 且星等范围 12 mag ≤ K_S ≤ 14 mag 内未检测到任何伴星，该空缺无法用低样本数统计或观测偏差解释。
• 该星等与分离范围内的伴星缺失，暗示伴星存在约 0.1 M☉ 的质量下限，提示可能存在棕矮星空隙。
• 此前在天蝎座 OB2 中已探测到 28 个候选自由漂浮棕矮星，支持棕矮星的胚胎喷射形成机制。
• 观测到的伴星分数 F_C = 0.25（每十年角分离），高于 B 型星（F_C = 0.20）和主序前星（F_C = 0.21），表明 A 型星在天蝎座 OB2 中具有更高的多重性比率。