[论文解读] The substellar mass function in sigma Orionis. II. Optical, near-infrared and IRAC/Spitzer photometry of young cluster brown dwarfs and planetary-mass objects

J. A. Caballero, V. J. S. Béjar+9 more|arXiv (Cornell University)|May 7, 2007

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 99被引用 82

一句话总结

本研究对σ Orionis星协中的年轻亚恒星天体进行了深度的光学、近红外及Spitzer IRAC红外观测，识别出30个真实成员，质量低至~0.006 M☉。研究发现亚恒星质量函数呈上升趋势，幂律指数α = 0.6 ± 0.2，表明在0.006 M☉以下不存在暗化质量极限的证据，支持棕矮星与行星质量天体通过云团碎片化实现连续形成机制。

ABSTRACT

We investigate the mass function in the substellar domain down to a few Jupiter masses in the young sigma Orionis open cluster (3+/-2 Ma, d = 360^+70_-60 pc). We have performed a deep IJ-band search, covering an area of 790 arcmin^2 close to the cluster centre. This survey was complemented with an infrared follow-up in the HKs- and Spitzer 3.6-8.0 mum-bands. Using colour-magnitude diagrams, we have selected 49 candidate cluster members in the magnitude interval 16.1 mag < I < 23.0 mag. Accounting for flux excesses at 8.0 mum and previously known spectral features of youth, 30 objects are bona fide cluster members. Four are first identified from our optical-near infrared data. Eleven have most probable masses below the deuterium burning limit and are classified as planetary-mass object candidates. The slope of the substellar mass spectrum (Delta N / Delta M = a M^-alpha) in the mass interval 0.11 Msol M < 0.006 Msol is alpha = +0.6+/-0.2. Any opacity mass-limit, if these objects form via fragmentation, may lie below 0.006 Msol. The frequency of sigma Orionis brown dwarfs with circumsubstellar discs is 47+/-15 %. The continuity in the mass function and in the frequency of discs suggests that very low-mass stars and substellar objects, even below the deuterium-burning mass limit, may share the same formation mechanism.

研究动机与目标

• 确定σ Orionis星协中亚恒星质量函数在几倍木星质量以下的形态。
• 在年轻且邻近的开放星协中识别并表征棕矮星与行星质量天体候选体。
• 评估围绕极低质量天体的原亚恒星盘的频率，以探究其形成机制。
• 检验通过分子云引力碎片化形成的天体是否存在暗化质量极限。
• 确定行星质量天体是否与低质量恒星和棕矮星通过相同过程形成。

提出的方法

• 在σ Orionis中心区域开展覆盖790平方弧分的深度$IJ$波段巡天，达到$I \sim 24.1$等和$J \sim 21.8$等的极限星等。
• 在$H$-、$K_{\rm s}$-波段及Spitzer IRAC 3.6–8.0 μm波段进行红外后续观测，以探测可能指示盘存在的流量超量。
• 利用颜色-星等图（$I$与$I-J$的关系）在16.1 < $I$ < 23.0等的星等范围内筛选出49个候选星协成员。
• 结合年轻天体的光谱特征与8.0 μm波段的流量超量，确认星协成员身份并识别含盘天体。
• 将亚恒星质量函数拟合为幂律形式：$\Delta N/\Delta M \propto M^{-\alpha}$，其中$\alpha$由质量区间0.11–0.006 $M_\odot$确定。
• 利用IRAC 8.0 μm超量与成员确认标准，估算具有盘的棕矮星的频率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在σ Orionis中，亚恒星质量函数在~0.006 $M_\odot$以下的斜率是多少？
• RQ2 σ Orionis中的行星质量天体候选体是否表现出原恒星盘的迹象？具有盘的棕矮星的频率如何？
• RQ3 是否存在因分子云中暗化限制碎片化而导致初始质量函数出现截断的证据？
• RQ4 对极低质量天体的观测特性是否支持从低质量恒星到行星质量天体的连续形成机制？
• RQ5 σ Orionis中暗淡亚恒星天体的光度与光谱特性与已知的年轻棕矮星及孤立行星质量天体相比如何？

主要发现

• σ Orionis中的亚恒星质量函数呈上升趋势，其幂律指数在0.11–0.006 $M_\odot$质量区间为$\alpha = 0.6 \pm 0.2$。
• 在49个候选体中，30个基于年轻特征指标与IRAC 8.0 μm超量被确认为真实星协成员。
• 11个天体的最可能质量低于氘燃烧极限（0.013 $M_\odot$），被归类为行星质量天体候选体。
• 具有原亚恒星盘的棕矮星频率为47 ± 15%，表明在亚恒星域中盘的保留率很高。
• 在0.006 $M_\odot$以下未观测到质量函数的拐点或截断，表明该星协中不存在暗化质量极限的证据。
• 本研究首次报告了4个棕矮星与2个行星质量天体候选体。