[論文レビュー] Atmospheric Circulation and Cloud Evolution on the Highly Eccentric Extrasolar Planet HD 80606b

Nikole K. Lewis, Vivien Parmentier+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、放射移動および雲化学を組み込んだ3次元一般循環モデルを用いて、極端な離心率下でのHD 80606bの大気をシミュレートした。その結果、擬似同期値の2倍の自転周期と、急速に形成・消散する雲（特にMgSiO₃またはMnS）が、スパイitzer位相曲線を最もよく再現することが判明した。可視光帯のHST観測により、位相曲線の形状を用いて雲の組成を区別可能である。

ABSTRACT

Observations of the highly-eccentric (e~0.9) hot-Jupiter HD 80606b with Spitzer have provided some of best probes of the physics at work in exoplanet atmospheres. By observing HD 80606b during its periapse passage, atmospheric radiative, advective, and chemical timescales can be directly measured and used to constrain fundamental planetary properties such as rotation period, tidal dissipation rate, and atmospheric composition (including aerosols). Here we present three-dimensional general circulation models for HD 80606b that aim to further explore the atmospheric physics shaping HD 80606b's observed Spitzer phase curves. We find that our models that assume a planetary rotation period twice that of the pseudo-synchronous rotation period best reproduce the phase variations observed for HD~80606b near periapse passage with Spitzer. Additionally, we find that the rapid formation/dissipation and vertical transport of clouds in HD 80606b's atmosphere near periapse passage likely shapes its observed phase variations. We predict that observations near periapse passage at visible wavelengths could constrain the composition and formation/advection timescales of the dominant cloud species in HD 80606b's atmosphere. The time-variable forcing experienced by exoplanets on eccentric orbits provides a unique and important window on radiative, dynamical, and chemical processes in planetary atmospheres and an important link between exoplanet observations and theory.

研究の動機と目的

• HD 80606bの大気循環と雲の進化が、極端な公軌道離心率によってどのように駆動されるかを理解すること。
• 雲の光学厚さと自転周期が観測されたスパイザー位相曲線を説明できるかどうかを検証すること。
• 雲の組成と形成 timescales を制約するのを目的とした、可視光帯での観測的シグナルを予測すること。
• 時間変動する力が、系外惑星の大気における放射・力学的・化学的 timescales に与える影響を結びつけること。
• 雲駆動によるフラックス変調を通じて、HD 80606bの内部光度と潮汐散逸の制約を強化すること。

提案手法

• 3次元一般循環モデル（GCM）を用いて、緯度・経度・気圧レベルにおける大気力学をシミュレートした。
• 放射移動計算には、平衡化学とガス・雲からの吸収率が含まれる。
• 雲の形成と垂直輸送は、温度および圧力プロファイルに基づく時間依存の凝縮・蒸発に基づいてモデル化された。
• モデル出力は、de Wit ら（2016）のスパイザー4.5および8.0 μm位相曲線と比較された。
• 可視光および近赤外バンドパス用に合成されたHST光曲線が生成され、検出可能な位相曲線特徴を予測した。
• 感度分析により、異なる雲種（例：MgSiO₃、Na₂S）および粒子サイズ（例：0.1 μm）における信号強度が評価された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 惑星の自転周期は、HD 80606bの大気循環および観測されるフラックス変動にどのように影響するか？
• RQ2 急速に形成・消散する雲は、観測されたスパイザー位相曲線を形作る上で果たす役割は何か？
• RQ3 HSTを用いた可視光帯観測は、異なる雲種およびその形成・輸送 timescales を区別できるか？
• RQ4 近点通過に伴うピークフラックスのタイミングは、雲の光学厚さおよび内部光度をどのように制約するか？
• RQ5 雲の組成は、可視光および近赤外波長帯での位相曲線の振幅および形状にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 観測されたスパイザー位相曲線を最もよく再現するのは、擬似同期値（約40時間）の2倍の自転周期（93時間）である。
• 近点通過時以外のフラックス欠如は、低内部光度だけでは説明できないが、近点通過時に形成された光学的厚さの高い雲のデッキによってよりよく説明できる。
• 粒子サイズ0.1 μmのMgSiO₃またはMnS雲が、HSTバンドパスで最も検出可能な位相曲線シグナルを生成する。
• Na₂S雲は近点通過時に蒸発するため三角形の位相曲線を生成するが、蒸発しない雲では対称的なベル型の形状となる。
• 近点通過を中央とする22時間のHST観測ウィンドウでは、MgSiO₃/MnS雲を約13σで検出可能であり、Na₂S雲は約7σで検出可能である。
• 可視光帯観測は、雲なしまたはスミア支配のモデルから雲の組成と形成 timescales を区別するために不可欠である。