Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10316/97977
Title: Chemical composition of super-massive planet hosts: the clue to their formation
Other Titles: Composição quimica de estrelas hospedeiras de planetas super-massivos: pista para a sua formação
Authors: Reis, Mariana Isabel Caria
Orientador: Correia, Alexandre Carlos Morgado
Santos, Nuno C.
Adibekyan, Vardan
Keywords: espetroscopia; abundancia; composição quimica; metalicidade; spectroscopy; abundances; chemical composition; metallicity
Issue Date: 29-Nov-2021
Serial title, monograph or event: Chemical composition of super-massive planet hosts: the clue to their formation
Place of publication or event: DF
Abstract: Linking the physical properties of planets and their host stars can reveal essential details about the environmental conditions for planet formation.There is a known relationship between giant planets occurrence and metallicity of their host stars, which favors the formation of these planets via so called core-accretion model.However, some recent works suggested that there might be a planetary mass breakpoint at about 4 Jupiter masses above and below which planet formation channels are different: the Jupiter-like planets form via core-accretion, while the super-massive planets form through gravitational instability. The key argument for such a conclusion is that super-massive planets are mostly detected around metal-poor stars, which goes against the predictions of core-accretion theory. An important limitations of the aforementioned works is that iron abundance was used as a proxy for overall metallicity, which might be inaccurate for stars with low iron content. This is mostly because iron-poor planet host stars have been shown to be enhanced in other metals which could compensate for the lack of iron in these stars. We performed a detailed spectroscopic analysis of 113 FGK-type stars hosting 96 planets with masses below 4 Mjup and 39 planet with masses above 4 Mjup to determine the abundances of the metals (C, O, Mg, and Si) important for exoplanet formation. A stoichiometric model was then used to estimate the summed mass percentage of metals (Z) in the protoplanetary discs where these planets formed. Additionally we used the mass of the host stars as a proxy for protoplanetary disk and by multiplying it with Z we estimated the total amount of metals in the disk relevant for the formation of massive planets. By performing a Kolmogorov–Smirnov test we showed that the systems with giant and super-giant planets have similar distributions of Z x M* (stellar mass) which suggest a common formation mechanism for the two populations of planets. Additionally, we found that Z is significantly larger in systems with any type of giant planets when compared with stars without detected planets. This result led us to suggest that the most probable mechanism for the formation of massive and super-massive planets is core-accretion.
Interligar os processos físicos dos planetas e das suas estrelas pode revelar detalhes essenciais sobre as condições ambientais da formação dos planetas. Existe uma relação conhecida entre a ocorrência de planetas gigantes e a metalicidade das suas estrelas, favorecendo a formação destes planetas pelo modelo de "acreção do núcleo" (core-accretion). No entanto, alguns trabalhos recentes sugeriram que pode haver uma quebra na massa planetária a cerca de 4 massas de Júpiter a cima e abaixo da qual os canais de formação planetária são diferentes: os planetas tipo Júpiter formam-se via "acreção do núcleo", enquanto que os planetas super-massivos formam-se por "instabilidade gravitacional". O argumento-chave para tal conclusão é que os planetas super-massivos foram maioritariamente detectados em volta de estrelas pouco metálicas, o que contradiz a previsão da teoria de "acreção do núcleo".Uma limitação importante dos trabalhos mencionados é usarem a abundância do ferro como uma aproximação da metalicidade global, o que pode ser pouco preciso para estrelas com pouco ferro. Isto é maioritariamente porque estrelas hospedeiras com pouco ferro tem mostrado estar enriquecidas noutros metais o que pode compensar pela falta de ferro nestas estrelas.Nos realizamos uma analise espectroscópica detalhada de 113 FGK estrelas hospedeiras de 96 planetas com massas abaixo de 4 Mjup e 39 planetas com massas superiores a 4 Mjup para determinar as abundâncias dos metais (C, O, Mg e Si) importantes para a formação de exoplanetas. De seguida, um modelo estequiométrico foi usado para estimar a soma da percentagem de massa de metais (Z) no disco protoplanetário onde os planetas foram formados. Adicionalmente, usamos a massa das estrelas hospedeiras como uma aproximação para o disco protoplanetário e ao multiplicá-la com o Z nos estimamos a quantidade total de metais no disco relevantes para a formação de planetas massivos. Ao realizar um teste de Kolmogorov-Smirnov nos mostramos que os sistemas com planetas gigantes e super-gigantes tem distribuições semelhantes de Z x M* (massa das estrela) o que sugere um mecanismo de formação comum para as duas populações de planetas. Adicionalmente, encontramos que o Z é significativamente maior em sistemas com qualquer tipo de planeta gigante quando comparado com estrelas sem planetas detectados. Este resultado leva-nos a sugerir que o mecanismo de formação mais provável para a formação de planetas massivos e super-massivos é a "acreção do núcleo".
Description: Dissertação de Mestrado em Astrofísica e Instrumentação para o Espaço apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia
URI: http://hdl.handle.net/10316/97977
Rights: openAccess
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