[論文レビュー] Analysis of Spitzer Mid Infrared Spectra of Irradiated Planets: Evidence for Water Vapor?

Jonathan J. Fortney, Mark S. Marley|arXiv (Cornell University)|May 23, 2007

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、トランジットを示す系外惑星HD 209458bおよびHD 189733bのスパイitzer IRSによる中赤外域スペクトルを分析し、10 µm未満の波長域で予想される水蒸気吸収の欠如を示す特徴のないフラックス比を同定した。HD 189733bのデータはIRAC 8 µmの光度測定と矛盾しており、その波長域でIRSスペクトルの問題が生じている可能性を示唆するが、モデル化は水蒸気吸収を支持しており、両惑星のスペクトルは雲の光学厚さや水蒸気量の調整なしに1次元および3次元大気モデルとよく一致している。

ABSTRACT

Published mid infrared spectra of transiting planets HD 209458b and HD 189733b, obtained during secondary eclipse by the InfraRed Spectrograph (IRS) aboard the Spitzer Space Telescope, are predominantly featureless. In particular these flux ratio spectra do not exhibit an expected feature arising from water vapor absorption short-ward of 10 µm. Here we suggest that the spectral data for HD 189733b are inconsistent with 8µm-photometry obtained with Spitzer’s InfraRed Array Camera (IRAC), perhaps an indication of problems with the IRS spectra from 7.5-10µm. The IRAC data, along with previously published secondary eclipse photometry for HD 189733b, are in excellent agreement with a one-dimensional model of HD 189733b that clearly predicts water absorption. We are not able to draw firm conclusions regarding the IRS data for HD 209458b, but spectra predicted by 1D and 3D atmospheres models fit the data adequately, without adjustment of the water abundance or reliance on cloud opacity. We argue that the generally good agreement between model spectra and IRS spectra of brown dwarfs with atmospheric temperatures similar to these highly irradiated planets support the veracity of the modeling procedure.

研究の動機と目的

• スパイザー IRS の中赤外域スペクトルを用いて、強い放射を受けている系外惑星 HD 209458b および HD 189733b の大気中に水蒸気が存在するかを評価すること。
• HD 189733b における IRS スペクトルと IRAC 8 µm 光度測定との乖離、特に 7.5–10 µm 範囲での原因を調査すること。
• 観測されたスペクトルが、水蒸気吸収特徴を予測する大気モデルと整合するかを評価すること。
• データに適合させるために雲の光学厚さや水蒸気量の調整が必要かどうかを特定すること、あるいはその調整なしにモデルが適合するかを評価すること。
• 同様の温度を持つ褐色矮星のスペクトルを用いて、大気モデリング手法の信頼性を検証すること。

提案手法

• スパイザー宇宙望遠鏡搭載の赤外分光計（IRS）を用いて、HD 209458b および HD 189733b の二次食時に中赤外域のフラックス比スペクトルを取得すること。
• IRS スペクトルとスパイザーの赤外アレイカメラ（IRAC）による 8 µm 光度測定値を比較し、7.5–10 µm 範囲での不一致を検出すること。
• 放射対流平衡と分子吸収率を組み込んだ 1次元大気モデルを HD 189733b に適用し、水蒸気特徴を予測すること。
• 1次元および3次元大気モデルを用いてスペクトルエネルギー分布をシミュレートし、観測された IRS スペクトルと直接比較すること。
• 同様の温度を持つ褐色矮星のモデルスペクトルと IRS 観測値を比較することで、モデリング手法の妥当性を検証すること。
• 観測スペクトルが水蒸気量の調整や雲の光学厚さの導入なしにモデル予測と一致するかを評価することで、スペクトルの一貫性を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スパイザー IRS の中赤外域スペクトルにおいて、HD 209458b および HD 189733b に 10 µm 未満の波長域で検出可能な水蒸気吸収特徴が存在するか？
• RQ2 HD 189733b において、IRS スペクトルと IRAC 8 µm 光度測定値の間に乖離が生じており、その原因は何か？
• RQ3 HD 189733b の 1次元大気モデルは、雲の光学厚さや水蒸気量の調整なしに、観測された光度測定値および分光測定値を再現できるか？
• RQ4 温度がこれらの惑星と類似する褐色矮星のモデルスペクトルが IRS 観測とどの程度一致するか。これは、モデリング手法の信頼性を支持するか？
• RQ5 HD 209458b の観測された IRS スペクトルは、水蒸気吸収を予測する大気モデルと整合するか、それとも代替的説明が必要か？

主な発見

• HD 209458b および HD 189733b の両方の IRS スペクトルは特徴のないものが大部分を占め、10 µm 未満の波長域で検出可能な水蒸気吸収特徴は認められない。
• HD 189733b の IRS スペクトルは 7.5–10 µm 範囲で IRAC 8 µm 光度測定値と整合せず、その波長域で IRS データの問題が生じている可能性を示唆する。
• IRAC 光度測定値および過去の二次食光度測定値は、強い水蒸気吸収特徴を予測する 1次元大気モデルと非常に良好に一致している。
• 1次元および3次元大気モデルを用いて生成された両惑星のモデルスペクトルは、水蒸気量の調整や雲の光学厚さの導入なしに、IRS データを適切に適合させている。
• 同様の温度を持つ褐色矮星のモデルスペクトルと IRS 観測値との良好な一致は、使用した大気モデリング手順の妥当性を支持している。
• IRS データに明確な水蒸気特徴がないことは、水蒸気の存在を否定するものではなく、標準的な仮定のもとでモデル予測がデータとよく一致していることから、水蒸気の存在は妥当である。