[論文レビュー] Hot Exoplanet Atmospheres Resolved with Transit Spectroscopy (HEARTS) I. Detection of hot neutral sodium at high altitudes on WASP-49b

A. Wyttenbach, C. Lovis+14 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 67被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、ESO 3.6 m望遠鏡に搭載されたHARPS分光計を用いて、太陽系外惑星WASP-49bの大気上層部における高温の中性ナトリウムの高分解能分光的検出を世界で初めて実現した。観測されたナトリウム吸収線の対比は1.8–2.0%であり、高度約45,000 kmにおける温度は約2,950 Kを示しており、強い星放射と雲のない大気を示す熱圏の特徴が確認された。これは、蒸発の砂漠境界近くに位置する大気の拡散が促進される可能性を示唆している。

ABSTRACT

High-resolution optical spectroscopy during the transit of HD 189733b, a prototypical hot Jupiter, allowed the resolution of the Na I D sodium lines in the planet, giving access to the extreme conditions of the planet upper atmosphere. We have undertaken HEARTS, a spectroscopic survey of exoplanet upper atmospheres, to perform a comparative study of hot gas giants and determine how stellar irradiation affect them. Here, we report on the first HEARTS observations of the hot Saturn-mass planet WASP-49b. We observed the planet with the HARPS high-resolution spectrograph at ESO 3.6m telescope. We collected 126 spectra of WASP-49, covering three transits of WASP-49b. We analyzed and modeled the planet transit spectrum, while paying particular attention to the treatment of potentially spurious signals of stellar origin. We spectrally resolve the Na I D lines in the planet atmosphere and show that these signatures are unlikely to arise from stellar contamination. The large contrasts of $2.0\pm0.5\%$ (D$_2$) and $1.8\pm0.7\%$ (D$_1$) require the presence of hot neutral sodium ($2,950^{+400}_{-500}$ K) at high altitudes ($\sim$1.5 planet radius or $\sim$45,000 km). From estimating the cloudiness index of WASP-49b, we determine its atmosphere to be cloud free at the altitudes probed by the sodium lines. WASP-49b is close to the border of the evaporation desert and exhibits an enhanced thermospheric signature with respect to a farther-away planet such as HD 189733b.

研究の動機と目的

• 蒸発の砂漠境界近くに位置する、強い星放射を受ける、土星質量クラスの太陽系外惑星WASP-49bの大気組成と熱的構造を調査すること。
• 観測されたナトリウム吸収特徴が、惑星の大気吸収由来であるのか、星の汚染由来であるのかを特定すること。
• 高分解能食い込み分光法を用いて、WASP-49bの大気上層部の雲の有無と熱的構造を評価すること。
• HD 189733bなどの他のホットジュピターと比較し、WASP-49bの熱圏反応を理解することで、大気の拡散機構を解明すること。
• 高分解能分光法が、強い星放射を受ける太陽系外惑星における極端な大気条件を探査するのに有効であることを検証すること。

提案手法

• WASP-49bの3回の食通過時に、ESO 3.6 m望遠鏡に搭載されたHARPS分光計を用いて、高分解能の可視光分光測定（λ/Δλ ≈ 115,000）を実施した。
• 126枚の個々のスペクトルを取得し、SN比を向上させるために合成処理を行い、589 nm付近のNa i D二重線に注目した。
• 惑星の大気吸収を分離するために、食モデル手法を適用し、星のベースラインを差し引いたほか、機器のドリフトや系統的ノイズを補正した。
• 大気の不透明度を評価するため、等温大気を仮定して雲の指数Cを推定し、雲がナトリウム信号を遮蔽しているかどうかを判断した。
• 星の活動性は、log R′HK指数（−5.17）を用いて評価され、低レベルのクロモスフィア活動が確認され、星 spots や活動に起因する誤検出信号が除外された。
• 線幅のフィッティングと上層大気の熱的構造モデルを用いて、ナトリウム吸収の温度と高度を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 WASP-49bの透過スペクトルにおけるNa i D二重線の吸収は、惑星の大気由来であるのか、星の活動由来であるのか？
• RQ2 WASP-49bの大気上層部における吸収ナトリウム層の温度と高度は何か？
• RQ3 ナトリウム線がプローブした高度におけるWASP-49bの大気は、雲があるのか、雲がないのか？
• RQ4 WASP-49bの熱圏特徴は、HD 189733bなどの他の強い星放射を受ける惑星と比べてどう異なるか？
• RQ5 蒸発の砂漠に近い惑星において、高分解能食い込み分光法が大気加熱の増強や大気拡散の兆候を検出できるか？

主な発見

• WASP-49bの大気におけるNa i D線は、吸収対比2.0±0.5%（D2）および1.8±0.7%（D1）を示し、強い大気吸収を示している。
• ナトリウム吸収は約2,950 Kの高温領域由来であり、95%信頼区間は2,450–3,350 Kである。これは熱圏層の存在を確認するものである。
• 吸収ナトリウムは約1.5個の惑星半径（約45,000 km）の高度に位置しており、高高度での大気加熱と整合的である。
• 雲の指数Cは、プローブされた高度で雲のない大気を示しており、ナトリウムの明確な線分光検出を支持している。
• WASP-49bの熱圏特徴は、HD 189733bよりも強く、星からの放射が約2倍多いにもかかわらず、大気加熱が顕著に強化されていることを示唆している。
• 星の活動は低く（log R′HK = −5.17）、惑星の軌道はおそらく極面から観測されているため、星の回転やspotsに起因する汚染は最小限に抑えられている。