[論文レビュー] An optical transmission spectrum of the ultra-hot Jupiter WASP-33b. First indication of AlO in an exoplanet

C. von Essen, M. Mallonn+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2018

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 88被引用数 29

ひとこと要約

本研究は、グラン・テレスコピオ・カナリアスの高精度分光計を用いて、超高温木星WASP-33bの最初の光学透過スペクトルを提示する。惑星の大気中に酸化アルミニウム（AlO）が3.3-σで検出された。これは非平衡化学反応の可能性や、酸化アルミニウムの過剰な存在を示唆する一方、TiOおよびVOの上界は、太陽系外縁付近の濃度を示唆している。

ABSTRACT

There has been increasing progress toward detailed characterization of exoplanetary atmospheres, in both observations and theoretical methods. Improvements in observational facilities and data reduction and analysis techniques are enabling increasingly higher quality spectra, especially from ground-based facilities. The high data quality also necessitates concomitant improvements in models required to interpret such data. In particular, the detection of trace species such as metal oxides has been challenging. Extremely irradiated exoplanets (~3000 K) are expected to show oxides with strong absorption signals in the optical. However, there are only a few hot Jupiters where such signatures have been reported. Here we aim to characterize the atmosphere of the ultra-hot Jupiter WASP-33b using two primary transits taken 18 orbits apart. Our atmospheric retrieval, performed on the combined data sets, provides initial constraints on the atmospheric composition of WASP-33b. We report a possible indication of aluminum oxide (AlO) at 3.3-sigma significance. The data were obtained with the long slit OSIRIS spectrograph mounted at the 10-meter Gran Telescopio Canarias. We cleaned the brightness variations from the light curves produced by stellar pulsations, and we determined the wavelength-dependent variability of the planetary radius caused by the atmospheric absorption of stellar light. A simultaneous fit to the two transit light curves allowed us to refine the transit parameters, and the common wavelength coverage between the two transits served to contrast our results. Future observations with HST as well as other large ground-based facilities will be able to further constrain the atmospheric chemical composition of the planet.

研究の動機と目的

• 高精度な光学分光法を用いて、既知の最も高温の系外惑星の1つであるWASP-33bの大気組成を特徴づけること。
• 特に、主星の振動による変動を惑星の食信号から分離すること。
• 超高温木星の大気に存在する金属酸化物などの痕跡成分を検出・定量すること。
• AlOが光学透過スペクトルにおける顕著な吸収係数源として果たす意義を評価すること。
• 熱的に上向きに逆転している放射加熱系外惑星の大気化学、特にTiOおよびVOの濃度に制約を加えること。

提案手法

• 10メートルのグラン・テレスコピオ・カナリアス望遠鏡に搭載されたOSIRIS分光計を用いて、18軌道の間隔をあけた2つのWASP-33bの主食を取得した。
• 波長依存の惑星半径を導出するため、色別食光曲線を同時にフィッティングし、食のパラメータを精緻化した。
• 惑星の大気吸収特徴を分離するために、主星WASP-33の星体振動をモデル化・補正した。
• 結合データセットに大気還元技術を適用し、化学組成および吸収係数源を推定した。
• 系統的ノイズを補償するため、地球の大気および機器効果を含む物理モデルを用いた。
• 観測された透過スペクトルと理論モデルを比較することで、AlO、TiO、VOの化学的濃度を制約した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超高温木星WASP-33bの光学透過スペクトルに酸化アルミニウム（AlO）を検出できるか？
• RQ2 透過スペクトルにおける450 nm〜550 nmの間のスペクトル特徴は何を示しているか？
• RQ3 TiOおよびVOはWASP-33bの大気に存在するのか？その濃度制限は何か？
• RQ4 星体振動は、高温木星の食分光法の解釈にどのように影響を与えるか？
• RQ5 得られたAlO濃度は、太陽元素組成を仮定した熱力学的平衡予測から逸脱しているか？

主な発見

• 450 nm〜550 nmの間のスペクトル特徴は、3.3-σの検出有意度を伴う酸化アルミニウム（AlO）によって最もよく説明される。
• 得られたAlO濃度は、太陽元素組成を仮定した熱力学的平衡予測値のおよそ1000倍高い。
• TiOおよびVOの上界は、WASP-33bのターミネーター領域で太陽系外縁付近の濃度を示唆している。
• 透過スペクトルには雲やススの顕著な証拠がなく、それらの性質は未制約のままである。
• 短波長側の560 nmにおけるスペクトル勾配の原因として、星の伴星や sunspot が除外され、特徴は惑星の大気吸収に起因することが確認された。
• 2つの独立した食の透過スペクトルは1-σの不確実性内で一致しており、結果の妥当性が裏付けられた。