[論文レビュー] Hot Exoplanet Atmospheres Resolved with Transit Spectroscopy (HEARTS) - II. A broadened sodium feature on the ultra-hot giant WASP-76b

J. V. Seidel, D. Ehrenreich+19 more|UvA-DARE (University of Amsterdam)|Jan 30, 2019

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 50被引用数 35

ひとこと要約

HEARTS 調査は HARPS を用いたトランジット分光法により WASP-76b の中性ナトリウムを検出し、Na I 線が有意に広がっており、超回転など上層大気のダイナミクスを追跡する可能性がある。信号は3回のトランジットにわたり再現性が高く、統計的有意性も高い。

ABSTRACT

High-resolution optical spectroscopy is a powerful tool to characterise exoplanetary atmospheres from the ground. The sodium D lines, with their large cross sections, are especially suited to study the upper layers of atmospheres in this context. We report on the results from HEARTS, a spectroscopic survey of exoplanet atmospheres, performing a comparative study of hot gas giants to determine the effects of stellar irradiation. In this second installation of the series, we highlight the detection of neutral sodium on the ultra-hot giant WASP-76b. We observed three transits of the planet using the HARPS high-resolution spectrograph at the ESO 3.6m telescope and collected 175 spectra of WASP-76. We repeatedly detect the absorption signature of neutral sodium in the planet atmosphere ($0.371\pm0.034\%$; $10.75 σ$ in a $0.75$ Å passband). The sodium lines have a Gaussian profile with full width at half maximum (FWHM) of $27.6\pm2.8$ km s$^{-1}$. This is significantly broader than the line spread function of HARPS ($2.7$ km s$^{-1}$). We surmise that the observed broadening could trace the super-rotation in the upper atmosphere of this ultra-hot gas giant.

研究の動機と目的

• 高分解能のトランジット分光法を通じて熱的ガス巨星の上層大気特性を研究すること、ナトリウムを重要な診断指標として焦点を当てること

提案手法

• HARPS を用いて ESO 3.6m 天文台で WASP-76b の3つのトランジットを観測する
• HARPS のスペクトル順 56 が含む Na I D 線領域 (5890-5896 Å) に焦点を合わせる
• molecfit による大気線補正を適用して大気線を除去する
• 同時に EulerCam の光度測定を実施してトランジットパラメータとベースラインを制約する
• 惑星静止フレームでのイン-トランジットとアウト-オブ-トランジットのスペクトルを比較して伝送スペクトルを構築する
• Na I 線核にガウシアンプロファイルを適合させて線深さと FWHM を導出する
• 夜ごとの再現性を評価し、CLV/RM 効果の影響を評価する
• 伝送スペクトルを計算する際にトランジット中の惑星の放射速度シフトを考慮する

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 WASP-76b の大気中で中性ナトリウムはトランジット中に検出されるか？
• RQ2 WASP-76b の Na I ダブルトの線形度（深さと幅）はどのようで、それは大気ダイナミクスを何に示唆するか？
• RQ3 ナトリウム信号は複数のトランジットにわたり再現可能か、観測系統誤差はそれにどう影響するか？
• RQ4 CLV（中心から端への変化）や Rossiter-McLaughlin 効果は本系の伝送スペクトルに有意な偏りをもたらすか？
• RQ5 検出されたナトリウム吸収に対応する大気の高さはどれくらいか？

主な発見

• 中性ナトリウムは WASP-76b の大気で繰り返し検出され、Na I D2 および D1 線における吸収深度はそれぞれ 0.373% と 0.508%（0.75 Å パスバンド）である（0.371±0.034% および 0.508±0.083% in a 0.75 Å passband）。
• Na I 線はガウス型プロファイルを持ち、FWHM は 27.6±2.8 km/s、HARPS の機械的線広がり関数の 2.7 km/s を大幅に上回る。
• 0.75 Å の狭いパスバンドでも核を中心としたナトリウム信号が強く観測され、中心パスバンド 2×0.75 Å で検出レベルは 10.75σ。
• 伝送信号は三つの夜で再現性があり、2×0.75 Å バンドの深度は夜内で 1σ 内で一致している。
• strongest core 吸収に対応する大気高度の推定：28,800±2,600 km（0.19±0.02 Rp）。
• この広がりは WASP-76b の上層大気の超回転を追跡している可能性があると示唆されている。