Search for Super-Jupiters around young nearby stars.

Abstract

La multiplicidad es un aspecto muy importante en los modelos de formación estelares y subestelares. La evidencia observacional de la población de binarias jóvenes a diferentes edades proporciona información muy útil sobre la frecuencia y la evolución de las binarias en sus fases iniciales. Los objetos subestelares se enfrían con el tiempo, y son más brillantes y fáciles de detectar cuando son jóvenes. Algunas de sus propiedades, como la luminosidad y la temperatura efectiva, evolucionan con el tiempo, y es necesaria una estimación de sus edades para obtener sus masas. Encontrar objetos subestelares en asociaciones jóvenes con edades bien determinadas nos permite caracterizar completamente sus propiedades físicas. El objetivo de esta tesis es explorar la población de compañeros subestelares a gran separación de estrellas jóvenes cercanas. Para alcanzar este objetivo, hemos realizado una búsqueda astrométrica y fotométrica de compañeros con movimiento propio común utilizando datos de VISTA Hemisphere Survey (VHS), el cual cubre el hemisferio sur completo en las bandas J y Ks del infrarrojo cercano, en combinación con otros catálogos astrométricos y fotométricos. Las búsquedas han sido realizadas en la asociación joven Upper Scorpius (USco; 5–10 Myr, d∼145 pc), y en cuatro grupos jóvenes de movimiento (YMGs): AB Doradus (AB Dor; ∼150 Myr, d∼30 pc), Tucana-Horologium (THA; ∼40–50 Myr, d∼50 pc), β Pictoris (β Pic; ∼20–30 Myr, d∼30 pc) y TW-Hydrae (TWA; ∼10 Myr, d∼60 pc). Nuestro objetivo es determinar la frecuencia de compañeros subestelares a gran separación para edades jóvenes, e investigar sus propiedades físicas y espectroscópicas. Hemos compilado una lista de miembros de las asociaciones jóvenes seleccionadas de la literatura. Para la búsqueda en la asociación USco, hemos correlado el catálogo VHS con UKIDSS GCS en un área circular de 60" alrededor de cada miembro compilado, lo que corresponde a separaciones físicas proyectadas de hasta 8700 UA. También hemos utilizado fotometría de Pan-STARRS y astrometría de Gaia DR2 para filtrar nuestros candidatos. El rango de masas explorado para los candidatos es 0.01 M⊙ < M < 0.2 M⊙. Para la búsqueda en los YMGs, hemos correlado VHS con el catálogo fotométrico 2MASS en un área circular correspondiente a una separación máxima proyectada de 50000 UA alrededor de cada miembro compilado. También hemos utilizado los catálogos DENIS, AllWISE y Gaia DR2 para descartar contaminantes y alineamientos casuales. El rango de masas explorado varía entre los cuatro YMGs, con límites superiores entre 0.23–0.45 M⊙ y límites inferiores entre 0.008–0.011 M⊙. También hemos obtenido espectroscopía de baja resolución en el óptico y/o infrarrojo cercano de aquellos componentes (primarias o secundarias) que no tenían una caracterización espectroscópica previa en la literatura. Para ello, hemos utilizado los instrumentos NTT/SofI, WHT/LIRIS, NOT/ALFOSC, duPont/B&C, GTC/OSIRIS, VLT/FORS2 y VLT/X-shooter en varias campañas de observación. En la búsqueda en USco, hemos obtenido 39 compañeros a gran separación con J > 12.5 mag en 38 sistemas, en nuestra búsqueda en torno a 1195 miembros de USco. 21 de ellos han sido reportados como compañeros previamente, 16 son miembros de USco que no han sido relacionados como compañeros, y 2 son nuevos descubrimientos. De los 39 compañeros, 22 son probablemente subestelares. La frecuencia de compañeros subestelares en USco es 1.8±0.4% en el rango estudiado de separaciones. Nuestra búsqueda es completa hasta 11 MJup. Sólo podemos establecer un límite inferior de 0.08% para la frecuencia de compañeros de masa planetaria a gran separación, y por tanto esta frecuencia puede ser mucho mayor. En AB Dor, hemos identificado 12 candidatos a compañeros en 11 sistemas en nuestra búsqueda en torno a 154 miembros, ninguno de los compañeros es subestelar. En THA, hemos identificado 11 compañeros en torno a 281 miembros, 2 de ellos son subestelares. En β Pic, hemos encontrado 9 compañeros en 7 sistemas en torno a 109 miembros, 3 de los compañeros son subestelares. Por último, en TWA hemos identificado 3 compañeros en torno a 55 miembros, 2 de ellos son subestelares. Las frecuencias de compañeros subestelares obtenidas en los cuatro grupos de movimiento son: 4.3±3.0% en TWA, 3.2±1.8% en β Pic, 0.7±0.5% en THA, y <1.4% en AB Dor. La caracterización espectroscópica de los compañeros nos ha permitido determinar tipos espectrales entre M temprano y L temprano. También hemos detectado rasgos de juventud en los espectros, como emisión intensa en Hα, líneas alcalinas debilitadas, y una forma triangular en el pseudo-contínuo de la banda H en el infrarrojo cercano en los tipos espectrales más tardíos. Encontramos que los compañeros subestelares a gran separación en sistemas jóvenes son raros, con frecuencias entre 1–4%. También encontramos una tendencia en la frecuencia con la edad en el rango de edades estudiado y en comparación con el campo. Sin embargo, los pocos casos encontrados para este tipo de sistemas llevan a obtener incertidumbres elevadas en la determinación de las frecuencias, y estos resultados deben ser tomados con prudencia. Los resultados observacionales indican que el mecanismo de formación para binarias subestelares a muy alta separación puede ser similar al de las estrellas de baja masa. Entre los compañeros identificados, hemos encontrado varios objetos con masas en torno o por debajo del límite de la quema del deuterio, como USco1621 B, USco1556 B y 2MASS J0249−0557c. Estos objetos son análogos a los planetas gigantes en órbitas cercanas, y proporcionan una oportunidad única para investigar las propiedades físicas y atmosféricas de los exoplanetas, las cuales son muy difíciles de caracterizar de otro modo.