[论文解读] The SOPHIE search for northern extrasolar planets -- XVII. A wealth of new objects: Six cool Jupiters, three brown dwarfs, and 16 low-mass binary stars

S. Dalal, F. Kiefer+31 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 23被引用 16

一句话总结

本研究利用法国上普罗旺斯天文台的SOPHIE摄谱仪对FGK型恒星进行径向速度（RV）监测，发现了27颗新的亚恒星和低质量恒星伴星。通过结合RV数据与HIPPARCOS和Gaia的天体测量数据，研究者确定了真实质量，并对六颗冷木星、三个褐矮星候选体以及十六颗低质量恒星伴星进行了分类，显著扩展了大质量、长周期行星的样本，并通过高偏心率、高质最的天体探测了‘褐矮星荒漠’。

ABSTRACT

Distinguishing classes within substellar objects and understanding their formation and evolution need larger samples of substellar companions such as exoplanets, brown dwarfs, and low-mass stars. In this paper, we look for substellar companions using radial velocity surveys of FGK stars with the SOPHIE spectrograph at the Observatoire de Haute-Provence. We assign here the radial velocity variations of 27 stars to their orbital motion induced by low-mass companions. We also constrained their plane-of-the-sky motion using HIPPARCOS and Gaia Data Release 1 measurements, which constrain the true masses of some of these companions. We report the detection and characterization of six cool Jupiters, three brown dwarf candidates, and 16 low-mass stellar companions. We additionally update the orbital parameters of the low-mass star HD 8291 B, and we conclude that the radial velocity variations of HD 204277 are likely due to stellar activity despite resembling the signal of a giant planet. One of the new giant planets, BD+631405 b, adds to the population of highly eccentric cool Jupiters, and it is presently the most massive member. Two of the cool Jupiter systems also exhibit signatures of an additional outer companion. The orbital periods of the new companions span 30 days to 11.5 years, their masses 0.72 Jupiter mass to 0.61 Solar mass, and their eccentricities 0.04 to 0.88. These discoveries probe the diversity of substellar objects and low-mass stars, which will help constrain the models of their formation and evolution.

研究动机与目标

• 扩展大质量、长周期亚恒星伴星的样本，特别是冷木星和褐矮星，尽管它们在动力学和形成方面具有重要意义，但目前仍缺乏充分表征。
• 通过结合HIPPARCOS和Gaia的天体测量数据，克服径向速度测量中的倾角模糊性（sin i degeneracy），以确定真实质量，并明确将天体分类为行星、褐矮星或低质量恒星。
• 研究大质量行星和褐矮星的轨道结构与金属丰度趋势，以检验行星形成模型，特别是核心吸积与盘不稳定性二分法。
• 通过探测偏心率高、质量居中的天体（30–60 MJ），探究‘褐矮星荒漠’——即短周期轨道中褐矮星数量稀少的现象——的结构。

提出的方法

• 利用上普罗旺斯天文台1.93米望远镜上的SOPHIE摄谱仪对距离太阳60 pc以内的FGK型恒星进行径向速度测量。
• 通过光谱分析和恒星活动特征分析，区分行星信号与恒星磁周期及黑子引起的信号。
• 采用开普勒轨道拟合对径向速度时间序列进行建模，以检测周期性信号，指示存在伴星。
• 利用HIPPARCOS和Gaia数据释放1（Gaia DR1）的天体测量约束，打破sin i模糊性，从最小质量（m sin i）推导真实质量。
• 对27个系统推导轨道参数，包括周期、偏心率和质量，特别关注表现出额外长周期信号的系统。
• 应用统计分析，包括Kolmogorov-Smirnov检验，比较质量大于4 MJ与小于4 MJ的巨行星宿主恒星的金属丰度分布，以评估双峰形成路径。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过径向速度探测到的亚恒星伴星的真实质量分布如何？天体测量如何解决其分类中的sin i模糊性？
• RQ2 新发现的冷木星和褐矮星的轨道偏心率和周期与已知群体相比如何？它们揭示了何种形成机制？
• RQ3 大质量行星（质量高于或低于4 MJ）宿主恒星的金属丰度分布是否呈现双峰特征？这对行星形成模型有何启示？
• RQ4 新发现的质量在25至60 MJ之间、轨道周期为576至850天的褐矮星是否有助于填补短周期、中等质量区域的‘褐矮星荒漠’？
• RQ5 在具有复杂径向速度信号的系统（如BD+550362和HD 124330）中是否存在额外的长周期伴星？它们如何影响轨道结构？

主要发现

• 发现了六颗冷木星，质量在0.72至2.16 MJ之间，轨道周期为30至11.5年，偏心率在0.04至0.88之间，包括BD+631405 b——目前已知质量最大、偏心率最高的系外巨行星，其m sin i = 2.16 MJ。
• 识别出三个褐矮星候选体，最小质量在25至60 MJ之间，轨道周期为576至850天；其中两颗（质量分别为49和60 MJ）的偏心率分别为0.5和0.8，与高质量褐矮星更偏心的趋势一致。
• 确认了十六颗低质量恒星伴星（质量 > 0.072 M⊙），质量范围为0.11至0.61 M⊙，周期为30天至11.5年，偏心率在0.04至0.65之间，所有结果均基于RV与天体测量联合数据约束。
• 巨行星宿主恒星的金属丰度分布显示出显著的双峰性：质量小于等于4 MJ的行星宿主恒星比质量更大的行星宿主更富金属（p值 = 9.53×10⁻⁸），支持形成机制的二元性。
• HD 204277的径向速度变化被发现与恒星活动一致，而非行星信号，尽管其初始形态类似巨行星，凸显了活动监测的重要性。
• 在两个系统——BD+550362和HD 124330——中观测到额外的长周期径向速度漂移，表明可能存在外层伴星，需进一步观测以表征。