[論文レビュー] Exoplanet atmospheres with GIANO. I. Water in the transmission spectrum of HD 189733b

Matteo Brogi, P. Giacobbe+5 more|Leiden Repository (Leiden University)|Jan 29, 2018

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 49被引用数 39

ひとこと要約

本研究では、3.5メートル望遠鏡に搭載されたGIANO機器を用いた高分解能近赤外分光法が、系外惑星HD 189733bの大気中の水蒸気を検出可能であることを示している。惑星の食中における径運動速度の変化を利用して、地球の大気と恒星の光からその信号を分離することで、数千本の水蒸気線をクロス相関し、5.5σの有意水準で水蒸気を確認した。これは、かつては最大規模の施設に限られていた結果が、より小型の望遠鏡でも達成可能であることを証明している。

ABSTRACT

High-resolution spectroscopy (R $\ge$ 20,000) at near-infrared wavelengths can be used to investigate the composition, structure, and circulation patterns of exoplanet atmospheres. However, up to now it has been the exclusive dominion of the biggest telescope facilities on the ground, due to the large amount of photons necessary to measure a signal in high-dispersion spectra. Here we show that spectrographs with a novel design - in particular a large spectral range - can open exoplanet characterisation to smaller telescope facilities too. We aim to demonstrate the concept on a series of spectra of the exoplanet HD 189733 b taken at the Telescopio Nazionale Galileo with the near-infrared spectrograph GIANO during two transits of the planet. In contrast to absorption in the Earth's atmosphere (telluric absorption), the planet transmission spectrum shifts in radial velocity during transit due to the changing orbital motion of the planet. This allows us to remove the telluric spectrum while preserving the signal of the exoplanet. The latter is then extracted by cross-correlating the residual spectra with template models of the planet atmosphere computed through line-by-line radiative transfer calculations, and containing molecular absorption lines from water and methane. By combining the signal of many thousands of planet molecular lines, we confirm the presence of water vapour in the atmosphere of HD 189733 b at the 5.5-$σ$ level. This signal was measured only in the first of the two observing nights. By injecting and retrieving artificial signals, we show that the non-detection on the second night is likely due to an inferior quality of the data. The measured strength of the planet transmission spectrum is fully consistent with past CRIRES observations at the VLT, excluding a strong variability in the depth of molecular absorption lines.

研究の動機と目的

• 高分解能分光法が、GIANOのような新規分光計設計を用いた小型地上望遠鏡でも、系外惑星の大気観測が可能であることを示すこと。
• 長年にわたり、高感度高分解能観測が、たんに最大規模の望遠鏡（例：VLT、Keck）に限定されてきたという歴史的制限を克服すること。
• 食中における径運動速度の変化を活用して、惑星信号を地上大気および恒星の汚染から分離する手法の妥当性を検証すること。
• 数千本の分子線をクロス相関することで、HD 189733bの大気中に水蒸気が存在することを確認すること。

提案手法

• Telescopio Nazionale Galileoに搭載されたGIANO分光計を用い、HD 189733bの2回の食中に高分解能近赤外分光法（R ≥ 20,000）を取得した。
• 惑星の食中における径運動速度の変化を利用して、惑星の信号を静的な地上大気および恒星分光法からドップラーシフトで分離した。
• 残渣分光法を地球の大気モデルとクロス相関させることで、地上大気吸収を除去し、惑星信号を保持した。
• 清浄化された分光法を、水蒸気およびメタン線を含む合成的大気モデルとクロス相関させることで、惑星信号を抽出した。
• ラインごとの放射平衡輸送計算を用いて、クロス相関用の高精度テンプレート分光法を生成した。
• クロス相関関数（CCF）を用いて検出の有意水準を定量化し、初回観測夜において水蒸気の5.5σ検出を達成した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GIANOのような高度な分光計を搭載した小型望遠鏡を用いて、高分解能の系外惑星大気分光法を成功裏に実施できるか？
• RQ2 惑星の食中における径運動速度の変化が、地上大気および恒星の汚染から惑星信号を確実に分離可能か？
• RQ3 本手法を用いて、HD 189733bの透過分光法に水蒸気が統計的に有意なレベルで検出可能か？
• RQ4 なぜ初回の夜には水蒸気が検出されたが、2回目の夜には検出されなかったのか？この結果はデータ品質および感度に何を示唆するか？
• RQ5 本手法による信号強度は、VLTのCRIRES機器による以前の高分解能観測結果と整合するか？

主な発見

• 初回観測夜のデータを用いて、HD 189733bの大気中に水蒸気が5.5σの有意水準で検出された。
• 惑星の透過分光法の強度は、VLTのCRIRES観測結果と完全に一致しており、分子吸収線の深さに顕著な変動は認められなかった。
• 2回目の夜における非検出は、大気の変動ではなく、データ品質が劣っていたことが原因であると特定された。
• 3.5メートル望遠鏡に搭載されたGIANO機器は、同じ積分時間において、VLTのCRIRES機器よりも水蒸気およびメタンのようなバンド幅広い吸収体を観測する際、信号対雑音比が約2.5～3倍高い。
• 本研究により、現代の分光計を備えた小型望遠鏡でも、系外惑星大気の高分解能分光法が実現可能であることが証明され、最大規模の施設に限定されないアクセスが可能になる。
• ドップラーシフトによる自己校正と汚染に対する強靭性から、本手法は今後の系外惑星特性評価の強力なツールである。