[论文解读] The SOPHIE search for northern extrasolar planets IX. Populating the brown dwarf desert

P. A. Wilson, G. Hébrard+21 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Feb 8, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 114被引用 33

一句话总结

本研究基于法国上普罗旺斯天文台的SOPHIE光谱仪获取的径向速度测量数据，对15颗类太阳恒星周围的伴星进行了表征，其中9颗被确认为棕矮星或大质量系外行星（13–70 M_Jup），显著填充了‘棕矮星沙漠’——即在类太阳恒星周围约5 AU范围内棕矮星观测缺失的现象。该研究通过结合Hipparcos天体测量数据，改进了轨道参数并约束了真实质量，为理解行星与棕矮星过渡区域的形成机制提供了关键数据。

ABSTRACT

Radial velocity planet search surveys of nearby Solar-type stars have shown a strong deficit of brown dwarf companions within $\sim5\,\mathrm{AU}$. There is presently no comprehensive explanation of this lack of brown dwarf companions, therefore, increasing the sample of such objects is crucial to understand their formation and evolution. Based on precise radial velocities obtained using the SOPHIE spectrograph at Observatoire de Haute-Provence we characterise the orbital parameters of $15$ companions to solar-type stars and constrain their true mass using astrometric data from the Hipparcos space mission. The nine companions not shown to be stellar in nature have minimum masses ranging from ~$13$ to $70\,\mathrm{M}_{\mathrm{Jup}}$, and are well distributed across the planet/brown dwarf mass regime, making them an important contribution to the known population of massive companions around solar-type stars. We characterise six companions as stellar in nature with masses ranging from a minimum mass of $76 \pm 4\,\mathrm{M}_{\mathrm{Jup}}$ to a mass of $0.35 \pm 0.03\,\mathrm{M_\odot}$. The orbital parameters of two previously known sub-stellar candidates are improved.

研究动机与目标

• 为解决类太阳恒星周围约5 AU范围内棕矮星伴星观测缺失的问题，即所谓的‘棕矮星沙漠’。
• 通过径向速度巡天数据改进15颗伴星的轨道参数并确定其真实质量。
• 利用径向速度数据与Hipparcos天体测量约束，对亚恒星伴星（行星与棕矮星）的性质进行约束。
• 通过质量与轨道特征区分核心吸积与引力坍缩形成机制，为形成机制的争论提供支持。

提出的方法

• 使用位于上普罗旺斯天文台的1.93米望远镜上的SOPHIE光谱仪获取径向速度测量数据。
• 通过将开普勒轨道拟合至径向速度时间序列数据，推导出轨道参数。
• 通过结合径向速度数据与Hipparcos空间任务的天体测量数据，约束伴星的真实质量。
• 利用最小质量估计值与演化模型比较，评估伴星的恒星或亚恒星性质。
• 利用光谱型与有效温度对主星进行分类，并用于质量-半径关系的构建。
• 以氘燃烧极限（13 M_Jup）作为亚恒星质量分类的参考标准，但未直接推断形成机制。

Figure 1: Bisector span as a function of radial velocity for all the targets in the sample. The dashed line represents a zero bisector span and is shown as a reference.

实验结果

研究问题

• RQ1 在类太阳恒星的内侧5 AU范围内，质量为13–70 M_Jup的伴星的真实质量与轨道参数分布如何？
• RQ2 Hipparcos提供的天体测量约束在多大程度上改善了径向速度探测伴星的质量确定？
• RQ3 观测到的伴星在13–70 M_Jup质量范围内，对‘棕矮星沙漠’的填充程度如何？
• RQ4 基于质量和轨道特征，有多少比例的伴星与棕矮星一致，而非低质量恒星？
• RQ5 与新径向速度数据相比，先前已知的亚恒星候选体的轨道参数改善程度如何？

主要发现

• 9颗伴星被确认为亚恒星天体，其最小质量在13至70 M_Jup之间，广泛分布于行星-棕矮星质量区间。
• 6颗伴星被归类为恒星性质，质量范围为76 ± 4 M_Jup 至 0.35 ± 0.03 M_sun。
• 通过新径向速度数据，先前已知的两颗亚恒星候选体的轨道参数得到显著改善。
• 通过结合径向速度与Hipparcos天体测量数据，成功约束了真实质量，显著降低了质量估计的不确定性。
• 该样本显著填充了‘棕矮星沙漠’，为检验形成理论提供了关键数据。
• 本研究证实，棕矮星沙漠仍是轨道参数空间中的显著特征，目前尚无充分证据表明在1–5 AU范围内存在棕矮星种群。

Figure 2: Top: Astrometric orbit of HD 6664 projected on the sky. North is up and east is left. The solid red line shows the orbital solution, which is orientated clockwise, and open circles mark the individual Hipparcos measurements. The dashed lines represents the scan angle which connects these o