Orbital motion of substellar companions

Ginski, Christian GND

With the availability of adaptive optics systems at 8 m-class telescopes, the direct detection of low-mass companions such as brown dwarfs and giant Jupiter-like planetary-mass objects, in up to 200 pc from the Sun, is possible. Since this detection method is especially sensitive for wide companions, it is a very good complement to radial velocity and transit search programs. The two common problems with these type discoveries are to ascertain if the candidate companion is orbiting the primary star, and to determine its mass to decide whether or not it is a substellar or even a planetary mass companion. Companionship is usually investigated by comparing the proper motion of the candidate companion to that of the primary star. If both objects are co-moving it is very likely that they are gravitationally bound. However, there is always the small chance of a coincidental alignment of the two objects, even more so if the primary star is a member of a young moving group or association (where almost all members have very similar proper motions). Only the detection of curvature of the orbit, meaning acceleration or deceleration in differential proper motion, can doubtlessly confirm that two objects are orbiting each other. Furthermore, the luminosity-age-mass models which are used to estimate the companion’s mass are uncertain at very young ages <10 Myr). Direct imaging surveys on the other hand target especially young associations, due to the more favoreable contrast ratio between primary star and low-mass companions. If significant orbital motion is detected, it is possible to fit Keplerian orbital elements for the companion and determine the system mass by Kepler’s third law as generalized by Newton. Even if no curvature is detected, the detection of small differential motion can already be used to constrain the orbital elements of the system. This work explores the possibilities of detecting orbital motion of six brown dwarf and planetary mass companions discovered over the past decade. Deep near-infrared (NIR) adaptive optics (AO) images were taken for each of the discussed targets, available archival data has been re-reduced, and literature data points were considered. As a result of this analysis, differential motion between primary stars and substellar companions could be clearly detected in three of the six discussed systems, namely HD130948, DHTau and GSC 08047-00232. In addition, there was marginal differential motion detected in the HD203030 system. This differential motion is in all cases consistent with slow orbital motion, although no curvature of the orbits could yet be detected. A method to constrain the orbital elements of the discussed systems was developed. The Least Squares Monte Carlo (LSMC) approach covers large areas of the parameter space by combining the random Monte Carlo approach with the ability of the Levenberg-Marquardt algorithm to find local minima. The LSMC fit was implemented with the Python programming language. With this fitting program, the orbital parameters of the HD130948 system and the GSC 08047-00232 system were successfully constrained.

Mit der Verfügbarkeit von Teleskopen der 8m Klasse ist die direkte Detektion von massearmen Begleitern in einer Entfernung von bis zu 200 pc von der Sonne möglich. Da diese Detektionsmethode insbesondere geeignet ist um weite Begleiter zu detektieren, ergänzt sie hervorragend die erfolgreichen Radialgeschwindigkeits- und Transitsuchprogramme. Die zwei wesentlichen Herausforderungen dieser Art von Entdeckungen sind zum einen die Verifikation, dass sich der gefundene Begleiterkandidat im Orbit um den Primärstern befindet, und zum anderen die Bestimmung der Masse des Begleiterkandidaten. Um festzustellen ob der Begleiterkandidat gravitativ an den Primärstern gebunden ist, wird normalerweise die Eigenbewegung der beiden Objekte am Himmel miteinander verglichen. Bewegen sich beide Objekte gemeinsam, so ist es sehr wahrscheinlich, dass sie auch gravitativ gebunden sind. Es sollte allerdings berücksichtigt werden, dass immer die Möglichkeit besteht, dass die beiden Objekte sich nur zufällig gleich bewegen. Dies ist insbesondere der Fall wenn der Primärstern ein Mitglied einer jungen Assoziation oder Eigenbewegungsgruppe ist (in beiden Fällen zeigen Mitglieder solcher Gruppen sehr ähnliche Eigenbewegungen). Nur die Detektion von Orbitkrümmung, d.h. Beschleunigung oder Abbremsung der differentiellen Eigenbewegung von Primärstern und Begleiter, kann ohne Zweifel bestätigen, dass beide Objekte sich im Orbit umeinander befinden. Des weiteren sollte berücksichtigt werden, dass die theoretischen Leuchtkraft-Alter-Masse Modelle, welche verwendet werden um die Begleitermasse zu bestimmen, bei jungen Systemaltern (<10 Myr) nicht gut kalibriert sind. In Beobachtungskampagnen zur direkten Detektion von massearmen Begleitern werden aber meist gerade junge Assoziationen untersucht, da hier der Kontrast zwischen Primärstern und massearmen Begleiter höher ist als bei älteren Objekten. Falls eine signifikante Orbitbewegung detektiert werden kann, so ist es möglich die Keplerschen Bahnelemente für den Begleiter zu bestimmen, um damit die Systemmasse mittels Newtons Version des dritten Keplerschen Gesetzes zu berechnen. Selbst wenn keine Orbitkrümmung detektiert werden kann, ist es möglich die Bahnelemente von Systemen anhand der geringen differentiellen Bewegung von Primärstern und Begleiter einzugrenzen. Diese Arbeit untersucht die Möglichkeit der Detektion von Orbitbewegung von sechs Braunen Zwergen bzw. Begleitern mit planetarer Masse, welche in der vergangenen Dekade entdeckt wurden. Tiefe, durch adaptive Optik korrigierte, nah-Infrarot Aufnahmen wurden für jedes der diskutierten Systeme aufgenommen. Zusätzlich wurden verfügbare Archivaufnahmen ausgewertet und Literaturwerte berücksichtigt. Das Resultat dieser Analyse ist die klare Detektion von differentieller Bewegung zwischen Primärsternen und Begleitern in den Fällen von HD130948, DHTau und GSC 08047-00232. Des weiteren wurde eine marginale Bewegungsdifferenz auch im Falle des HD203030 Systems detektiert. Die gefundenen differentiellen Bewegungen sind in allen Fällen konsistent mit langsamen Orbitbewegungen. Es konnte allerdings bisher keine Orbitkrümmung detektiert werden. Eine Methode zur Einschränkung der Bahnelemente der diskutierten Systeme wurde entwickelt. Die Methode der kleinsten Quadrate wurde hierfür mit einem Monte Carlo Ansatz kombiniert. Diese Herangehensweise deckt große Bereiche des Parameterraums ab, während gleichzeitig lokale Minima mittels des Levenberg-Marquardt Algorithmus gefunden werden können. Ein Programm zur Durchführung dieser Untersuchungsmethode wurde in der Programmiersprache Python geschrieben. Mit diesem Programm konnten die Bahnelemente des HD130948 Systems und des GSC 08047-00232 Systems erfolgreich eingeschränkt werden.

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Ginski, Christian: Orbital motion of substellar companions. 2013.

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