Validation of Elemental and Isotopic Abundances in Late-M Spectral Types with the Benchmark HIP 55507 AB System

Abstract

Abstract M dwarfs are common host stars to exoplanets but often lack atmospheric abundance measurements. Late-M dwarfs are also good analogs to the youngest substellar companions, which share similar T eff ∼ 2300–2800 K. We present atmospheric analyses for the M7.5 companion HIP 55507 B and its K6V primary star with Keck/KPIC high-resolution ( R ∼ 35,000) K -band spectroscopy. First, by including KPIC relative radial velocities between the primary and secondary in the orbit fit, we improve the dynamical mass precision by 60% and find <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>M</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>B</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mn>88.0</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>3.2</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mn>3.4</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> <mml:mspace width="0.25em"/> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>M</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>Jup</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> , putting HIP 55507 B above the stellar–substellar boundary. We also find that HIP 55507 B orbits its K6V primary star with <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mi>a</mml:mi> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mn>38</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mn>4</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:math> au and e = 0.40 ± 0.04. From atmospheric retrievals of HIP 55507 B, we measure [C/H] = 0.24 ± 0.13, [O/H] = 0.15 ± 0.13, and C/O = 0.67 ± 0.04. Moreover, we strongly detect 13 CO (7.8 σ significance) and tentatively detect <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>18</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> <mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi> </mml:math> (3.7 σ significance) in the companion’s atmosphere and measure <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msup> <mml:mrow/> <mml:mrow> <mml:mn>12</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> <mml:mi>CO</mml:mi> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mo stretchy="true">/</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>13</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> <mml:mi>CO</mml:mi> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mn>98</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>22</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mn>28</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:math> and <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>16</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> <mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo stretchy="true">/</mml:mo> </mml:mrow> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>18</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> <mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mn>240</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>80</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mn>145</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:math> after accounting for systematic errors. From a simplified retrieval analysis of HIP 55507 A, we measure <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msup> <mml:mrow/> <mml:mrow> <mml:mn>12</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> <mml:mi>CO</mml:mi> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mo stretchy="true">/</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>13</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> <mml:mi>CO</mml:mi> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mn>79</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>16</mm