Fundamental properties of very low mass star and brown dwarf binaries [Elektronische Ressource] / by Hervé Bouy

Bouy, F. Hervé

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• Astronomie

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• Publié par: ludwig-maximilians-universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2004
• Nombre de lectures: 14
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 6 Mo

Extrait

Ludwig Maximilian Universitat - Munich Universite Joseph Fourier - Grenoble
Fakultat fur Physik UFR de Physique
Fundamental properties of very low
mass star and brown dwarf binaries
THESIS
submitted on the 19 july 2004
for the degrees of
Doktor der Ludwig Maximilian Universitat { Munich
(Naturwissenschaften)
Docteur de l’universite Joseph Fourier { Grenoble 1
(Astrophysique et milieux dilues)
by
Herve Bouy
Committee
Chairs : Prof. Gregor Mor ll (MPE, Munich, Germany)
Prof. Jer^ ome Bouvier (UJF, Grenoble, France)
Referees : Prof. Isabelle Bara e (ENS, Lyon, France)
Prof. Ralph Bender (LMU, Munich, Germany)
Prof. Thomas Gehren (LMU, Munich,y)
Guests : Dr. Wolfgang Brandner (MPIA, Heidelberg, Germany)
European Southern Observatory
Max Planck Institut fur extraterrestrische Physik
Laboratoire d’AstrOphysique de Grenoble | UMR 5571Erstgutgachter: Prof. Dr. Gregor Mor ll
Zweitgutachter: Prof. Dr. Isabelle Bara e
Date of the oral examination: 24/09/2004
iiiAknowledgments
Je veux tout d’abord remercier mes Parents, une fois pour leur patience, et une autre fois pour
leurs encouragements constants.
I thank particularly Wolfgang Brandner and Ralph Neuhauser for inviting me to work rst
at ESO and then at MPE. I am grateful to Jer^ ome Bouvier for co-supervising my work during
these three years, and thus allowing me to make a cotutelle. I am grateful to Prof. Mor ll for
inviting me to stay at the MPE and supervising my work during the last year of my thesis. I
am grateful to ESO and MPE for providing me fundings and fantastic working conditions. I
aknowledge the L.A.O.G, the Ludwig Maximilian Universitat, and the Universite Joseph Fourier
for allowing me to make a cotutelle. Without these persons and these institutions I would have
never been able to do this work.
I thank all my collaborators, who generously helped me and shared their experiences and
expertises, sometimes their friendships, and help me to grow on the way leading to an indepen-
dent researcher.
I thank all my friends, in Germany, France and some other parts of the World, and in par-
ticular Ana Teresa.
I aknowledge the nancial support of the Conseil Regional de la Region Rh^ one-Alpes.
iiiHeureux qui, comme Ulysse, a fait un beau voyage,
Ou comme cestuy-l a qui conquit la toison,
Et puis est retourne, plein d’usage et raison,
Vivre entre ses parents le reste de son age^ !
Quand reverrai-je, helas, de mon petit village
Fumer la cheminee, et en quelle saison
Reverrai-je le clos de ma pauvre maison,
Qui m’est une province, et beaucoup davantage ?
Plus me pla^ t le sejour qu’ont b^ ati mes a eux,
Que des palais Romains le front audacieux,
Plus que le marbre dur me pla^ t l’ardoise ne
Plus mon Loir gaulois, que le Tibre latin,
Plus mon petit Lire, que le mont Palatin,
Et plus que l’air marin la doulceur angevine.
Joachim du Bellay, Les Regrets.
iva mon frere Olivier.
a mes Grands-Parents.
vviAbstract
Keywords: Binaries, ultracool dwarfs, brown dwarfs, statistical and physical properties of
ultracool dwarfs
This work presents the results of a detailed study of the statistical and physical properties of binary
ultracool dwarfs and brown dwarfs (spectral type later than M7).
As for the statistical properties, we found that the frequency of binaries among ultracool objects is
signi can tly lower than for earlier type objects, with a lower limit at 10{15% in the eld, and <10%
in the Pleiades Open cluster. While we were sensitive to systems with separations up to 100 A.U, we
did not nd any multiple system with separation greater than 20 A.U. At even larger separations, no
wide binaries were reported by the all sky surveys such as 2MASS, DENIS or SDSS. The distribution of
separations looks similar to that of F and G dwarfs (Gaussian), but with a peak at 4{8 A.U. Although
we were sensitive to mass ratios down to 0.65, we found most of the objects to have mass ratios larger
than 0.85. This latter result needs to be con rmed by further statistical studies on well de ned statistical
samples. Although the sample of known binaries in the Pleiades is too small for a similar analysis, we
note that the binary frequency, the distributions of mass ratio and separations are similar, indicating
that the properties of binary brown dwarfs might not depend on the age and environment after 125 Myr.
Finally, although we did not have the opportunity to perform a similar statistical study in a star forming
region, we report the rst detection of a young binary brown dwarf with a disk in the R-CrA association.
These results provide strong constraints on the models of ultracool dwarf formation and evolution.
The binary frequency is currently not reproduced by any of these models. The models of ejection could
explain the lack of binaries wider than 20 A.U and the apparent preference for equal mass systems, but
they predict a much lower binary frequency. The model assuming that brown dwarfs form in a smilar
way than stars could reproduce the binary frequency we observe, but could not explain the distributions
of separation and mass ratio. More e orts are required on the theoretical side in order to better explain
the observed properties, and on the observational side to give new and improved constraints.
As for the physical properties, our observations lead to the discovery of a short period binary L
dwarf. Observations at high angular resolution spread over 4 years allowed us to follow the companion
on 60% of its orbit. For the rst time, we were then able to compute the orbital parameters and total
mass of such a very low mass object. In the near future, similar studies should enable us to calibrate
brown dwarf mass and luminosity models. Using high angular resolution spectroscopy, we were able to
disentangle the spectra of the individual components of 4 binary ultracool dwarfs and to compute their
spectral types. Two binaries have companions with spectral types signi can tly later than their primary
(by 3 to 4 spectral subclasses), allowing us to compare the evolution of their e ectiv e temperature and
atmosphere. Finally, using our high angular resolution images, we were able to detect a possible third
component in one of the binaries of our sample.
viiResume
Mots-clefs: Binaires, naines ultrafroides, naines brunes, proprietes physiques et statistiques
des naines ultrafroides
Ce travail presente les resultats d’une etude detaillee des proprietes statistiques et physiques des
binaires de naines brunes et ultra-froides (type spectral plus tardif que M7).
Concernant les proprietes statistiques, nous constatons que la frequence de binaires parmi les objets
ultra-froids est inferieure a celle des objets de types spectraux plus precoces, avec une limite inferieure
a 1015% pour les objets du champ, et <10% dans l’amas ouvert des Ple ades. Alors que nous etions
capables d’identi er les systemes binaires jusqu’ a des separations de 100 U.A, nous n’avons trouve
aucun systeme mutliple aux separations superieures a 20 U.A. A plus grande separation encore, aucune
binaire n’a ete trouvee par les surveys 2MASS, DENIS ou SDSS. La distribution des separations est
semblable a celle des naines F et G (gaussienne), mais avec un maximum autour de 48 U.A. Bien que
nous etions sensibles aux binaires avec des rapports de masse allant jusqu’ a 0,6, nous n’avons detecte
aucune binaire avec un rapport de masse inferieur a0,6; la plupart des objets ayant un rapport de masse
plus grand que 0,85. Ce resultat devra ^etre con rm e par d’autres etudes sur des echantillons mieux de nis
statistiquement. Bien que l’echantillon de binaires connues dans les Ple ades soit trop petit pour nous
permettre de faire une analyse semblable, nous obervons que la frequence de binaires, les distributions
de rapport de masse et de separations sont semblables, indiquant que les proprietes des naines brunes
binaires ne dependent probablement pas de l’^ age et de l’environnement passe 125 millions d’annees. En n,
bien que nous n’ayons pas eu l’occasion de pouvoir mener une etude statistique similaire dans une region
de formation stellaire, nous presentons la premiere detection d’une jeune naine brune binaire entouree
d’un disque dans la region de la Couronne Australe (R-CrA).
Ces resultats apportent de fortes contraintes sur les modeles de formation et d’evolution. La frequence
de binaires n’est actuellement reproduite correctement par aucun des modeles. Les modeles d’ejection
pourraient expliquer le manque de binaires aux separations superieures a 20 U.A ainsi que le manque
apparent de systemes de faibles rapports de masses, mais elle prevoit une frequence de binaires beaucoup
trop faible. Le modele prevoyant que les naines brunes se forment d’une maniere analogue aux etoiles
pourrait quant a lui reproduire la frequence de binaires que nous observons, mais ne pourrait pas expliquer
les distributions de rapport de separation et de masse. Plus d’e orts sont donc necessaires a la fois du
c^ote theorique a n de pouvoir expliquer les proprietes observees, et du c^ote observationnel pour apporter
des contraintes nouvelles et plus precises.
Concernant les proprietes physiques des binaires de naines ultra-froides, nos observations ont mene a
la decouverte d’une binaire de naines L de courte periode. Les observations a haute resolution angulaire
reparties sur quatre ans nous ont permis de suivre le compagnon sur 60%