Abstract Using Keck Planet Imager and Characterizer high-resolution ( R ∼ 35,000) spectroscopy from 2.29 to 2.49 μ m, we present uniform atmospheric retrievals for eight young substellar companions with masses of ∼10–30 M Jup , orbital separations spanning ∼50–360 au, and T eff between ∼1500 and 2600 K. We find that all companions have solar C/O ratios and metallicities to within the 1 σ –2 σ level, with the measurements clustered around solar composition. Stars in the same stellar associations as our systems have near-solar abundances, so these results indicate that this population of companions is consistent with formation via direct gravitational collapse. Alternatively, core accretion outside the CO snowline would be compatible with our measurements, though the high mass ratios of most systems would require rapid core assembly and gas accretion in massive disks. On a population level, our findings can be contrasted with abundance measurements for directly imaged planets with m < 10 M Jup , which show tentative atmospheric metal enrichment compared to their host stars. In addition, the atmospheric compositions of our sample of companions are distinct from those of hot Jupiters, which most likely form via core accretion. For two companions with T eff ∼ 1700–2000 K ( κ And b and GSC 6214–210 b), our best-fit models prefer a nongray cloud model with >3 σ significance. The cloudy models yield 2 σ −3 σ lower T eff for these companions, though the C/O and [C/H] still agree between cloudy and clear models at the 1 σ level. Finally, we constrain 12 CO/ 13 CO for three companions with the highest signal-to-noise ratio data (GQ Lup b, HIP 79098b, and DH Tau b) and report v sin i and radial velocities for all companions.

Abstract We present the projected rotational velocity and molecular abundances for HD 33632 Ab obtained via Keck Planet Imager and Characterizer (KPIC) high-resolution spectroscopy. HD 33632 Ab is a nearby benchmark brown dwarf companion at a separation of ∼20 au that straddles the L–T transition. Using a forward-modeling framework with on-axis host star spectra, which provides self-consistent substellar atmospheric and retrieval models for HD 33632 Ab, we derive a projected rotational velocity of 53 ± 3 km s −1 and carbon monoxide and water mass fractions of logCO = −2.3 ± 0.3 and logH 2 O = −2.7 ± 0.2, respectively. The inferred carbon-to-oxygen ratio (C/O = 0.58 ± 0.14), molecular abundances, and metallicity ([C/H] = 0.0 ± 0.2 dex) of HD 33632 Ab are consistent with its host star. Although detectable methane opacities are expected in L–T transition objects, we did not recover methane in our KPIC spectra, partly due to the high v sin i and to disequilibrium chemistry at the pressures to which we are sensitive. We parameterize the spin as the ratio of rotation to the breakup velocity, and compare HD 33632 Ab to a compilation of >200 very low-mass objects ( M ≲ 0.1 M ⊙ ) that have spin measurements in the literature. There appears to be no clear trend for the isolated low-mass field objects versus mass, but a tentative trend is identified for low-mass companions and directly imaged exoplanets, similar to previous findings. A larger sample of close-in gas giant exoplanets and brown dwarfs will critically examine our understanding of their formation and evolution through rotation and chemical abundance measurements.

Abstract Recent Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) observations of protoplanetary disks in the millimeter continuum have shown a variety of radial gaps, cavities, and spiral features. These substructures may be signposts for ongoing planet formation, and therefore these systems are promising targets for direct imaging planet searches in the near-infrared. To this end, we present results from a deep imaging survey in the L ′ band (3.8 μ m) with the Keck/NIRC2 vortex coronagraph to search for young planets in 43 disks with resolved features in the millimeter continuum or evidence for gaps/central cavities from their spectral energy distributions. Although we do not detect any new point sources, using the vortex coronagraph allows for high sensitivity to faint sources at small angular separations (down to ∼0.″1), allowing us to place strong upper limits on the masses of potential gas giant planets. We compare our mass sensitivities to the masses of planets derived using ALMA observations, and while we are sensitive to ∼1 M Jup planets in the gaps in some of our systems, we are generally not sensitive to planets of the masses expected from the ALMA observations. In addition to placing upper limits on the masses of gas giant planets that could be interacting with the dust in the disks to form the observed millimeter substructures, we are also able to map the micron-sized dust as seen in scattered light for 8 of these systems. Our large sample of systems also allows us to investigate limits on planetary accretion rates and disk viscosities.