[論文レビュー] Exoplanetary atmospheric sodium revealed by the orbital motion. Narrow-band transmission spectroscopy of HD 189733b with UVES

S. Khalafinejad, C. von Essen+9 more|ASEP|Oct 5, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 61被引用数 29

ひとこと要約

本研究では、HD 189733bが transit 中に高分解能の UVES 分光計測を用いて大気中のナトリウム吸収を測定し、星の縁減光、活動性、および径速度に起因する「ボイド」を補正した。ナトリウムの存在が確認され、等価幅は 0.0023 ± 0.0010 Å、過剰吸収深さは 1 Å で 0.72 ± 0.25%、1.5 Å で 0.34 ± 0.11%、3 Å で 0.20 ± 0.06% であり、約 10⁴ 個/cm³ のナトリウム数密度の精密な推定値が得られた。

ABSTRACT

During primary transits, the spectral signatures of an exoplanet atmosphere can be measured using transmission spectroscopy. The goal of this work is to accurately measure the atomspheric sodium absorption light curve in HD189733b, correcting for the effects of stellar differential limb-darkening, stellar activity and a "bump" caused by the changing radial velocity of the exoplanet. In fact, due to the high cadence and quality of our data, it is the first time that the last feature can be detected even by visual inspection. We use 244 high-resolution optical spectra taken by the UVES instrument mounted at the VLT. Our observations cover a full transit of HD 189733b, with a cadence of 45 seconds. To probe the transmission spectrum of sodium we produce excess light- curves integrating the stellar flux in passbands of 1 Å, 1.5 Å, and 3 Åinside the core of each sodium D-line. We model the effects of external sources on the excess light-curves, which correspond to an observed stellar flare beginning close to mid-transit time and the wavelength dependent limb-darkening effects. In addition, by characterizing the effect of the changing radial velocity and Doppler shifts of the planetary sodium lines inside the stellar sodium lines, we estimate the depth and width of the exoplanetary sodium feature. We estimate the shape of the planetary sodium line by a Gaussian profile, with an equivalent width of 0.0023 \pm 0.0010 Å, thereby confirming the presence of sodium in the atmosphere of HD189733b with excess absorption levels of 0.72 \pm 0.25%, 0.34 \pm 0.11%, and 0.20 \pm 0.06% for the integration bands of 1 Å, 1.5 Å, and 3 Å, respectively. From these, we produce a first order estimate of the number density of sodium in the exoplanet atmosphere.

研究の動機と目的

• 高分解能透過分光計測を用いて、HD 189733bの大気中のナトリウム吸収を正確に測定すること。
• 星の縁減光、活動性、および軌道的径速度効果に起因する系統的バイアスを補正すること。
• 軌道的径速度に起因する「ボイド」を分離し、トランジット中の惑星の速度変化に起因する過剰光曲線への影響をモデル化すること。
• 大気モデル化のための、惑星のナトリウム特徴の正確な等価幅および深さを導出すること。
• 分光計測に基づいて、系外惑星の大気上層部におけるナトリウム原子の数密度を推定すること。

提案手法

• VLT の UVES を用いて、HD 189733b の完全なトランジット中に 45 秒間隔で 244 票の高分解能光学分光スペクトルを取得した。
• ナトリウム D 線コア部の狭帯域（1 Å、1.5 Å、3 Å）で星の放射束を統合し、過剰光曲線を作成した。
• 星の微分的縁減光および中間トランジットにおけるフレアの効果を観測光曲線に影響を与えるものとしてモデル化した。
• 惑星のナトリウム線が、軌道的径速度に起因するドップラーシフトにより、星の吸収プロファイル内を移動することを考慮した。
• ガウシアンプロファイルを惑星のナトリウム線にフィットさせ、その深さ、幅、等価幅を推定した。
• 得られた等価幅を用いて、系外惑星の大気中のナトリウム数密度を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 星の縁減光および活動性を補正した後、HD 189733b の大気中のナトリウム吸収の真の深さは何か？
• RQ2 惑星の軌道運動が、トランジット中の過剰光曲線に顕著な「ボイド」を誘発する仕組みは何か？
• RQ3 惑星のナトリウム線の径速度シフトが、観測された透過スペクトルに及ぼす影響の程度はどの程度か？
• RQ4 大気的および機器的課題が存在する中でも、高分解能の地上ベース分光計測が、系外惑星の大気中のナトリウムを信頼性高く検出・定量できるか？
• RQ5 観測された吸収に基づいて、HD 189733b の上層大気におけるナトリウム原子の推定数密度は何か？

主な発見

• 惑星のナトリウム線の等価幅は 0.0023 ± 0.0010 Å と測定され、大気中のナトリウムの存在が確認された。
• 過剰吸収深さは、1 Å 統合帯域で 0.72 ± 0.25%、1.5 Å で 0.34 ± 0.11%、3 Å で 0.20 ± 0.06% であり、以前の研究と整合的であった。
• 中間トランジット付近に顕著な「ボイド」が観測され、これは惑星の星に対する相対的径速度の変化に起因すると特定された。
• 径速度効果により、惑星のナトリウム線が星の吸収プロファイル内を移動し、モデル化すべき顕著な特徴が生じる。
• 導出されたナトリウム数密度は約 10⁴ 個/cm³ であり、Heng ら（2015）の理論モデルと良好に一致した。
• 星の spots や自転は、影響が小さいためモデルに含めなかったが、将来的な高時間分解能・同時広帯域観測ではその影響を検討する必要がある。