[論文レビュー] Hot Exoplanet Atmospheres Resolved with Transit Spectroscopy (HEARTS) VI. Non-detection of sodium with HARPS on the bloated super-Neptune WASP-127b

J. V. Seidel, M. Lendl+18 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 62被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、HEARTS調査のHARPSデータを用いて、高温でふっくらとしたスーパーネプチューンWASP-127bの高分解能食い込みスペクトルを再分析した。以前に報告された5σのナトリウム検出は、地上の大気由来のナトリウム発光と低SNRの残差による偽陽性であったことが示された。真のナトリウム吸収は0.46% ± 0.20%（2.3σ）に一致しており、D2線のみが検出可能であることが示され、異常な線幅比や大気構造を示唆している。

ABSTRACT

WASP-127b is one of the puffiest exoplanets found to date, with a mass only $3.4$ Neptune masses, but a radius larger than Jupiter. It is also located at the border of the Neptune desert, which describes the lack of highly-irradiated Neptune-sized planets, and which remains poorly understood. Its large scale height and bright host star make the transiting WASP-127b a valuable target to characterise in transmission spectroscopy. We use combined EulerCam and TESS light curves to recalculate the system's parameters. Additionally, we present an in-depth search for sodium in four transit observations of WASP-127b, obtained as part of the Hot Exoplanet Atmosphere Resolved with Transit Spectroscopy (HEARTS) survey with the High Accuracy Radial velocity Planet Searcher (HARPS) spectrograph. Two nights from this dataset were analysed independently by another team, claiming a detection of sodium incompatible with previous studies of data from both ground and space. We show that this large sodium detection is actually due to contamination from telluric sodium emissions and the low S/N in the core of the deep stellar sodium lines. When properly accounting for these effects, the previous sodium signal is reduced to an absorption of $0.46\pm0.20\%$ ($2.3σ$), which is compatible with analyses of WASP-127b transits carried out with other instruments. We can fit a Gaussian to the D2 line, however, the D1 line was not detected, indicating an unusual line ratio if sodium exists in the atmosphere. Follow-up of WASP-127 at both high-resolution and with high sensitivity will be required to firmly establish the presence of sodium and analyse its line shape.

研究の動機と目的

• 高放射、ふっくらとしたスーパーネプチューンWASP-127bの大気中にナトリウムが存在するかを、高分解能食い込みスペクトルを用いて再評価すること。
• 以前に報告された5σのナトリウム検出と、以前の低分解能研究で有意な信号が得られなかったことの矛盾を解明すること。
• 地上の大気による汚染と低SNRの残差が、系外惑星大気の高分解能スペクトル解析に与える影響を評価すること。
• 機器的および大気的系外乱要因を考慮した上で、HARPSデータを用いてWASP-127bのナトリウム吸収の信頼できる上限を確立すること。
• ナトリウムのD1およびD2線の検出に見られる非対称性を調査し、異常な大気線幅形状や吸収率効果を示唆する可能性を検討すること。

提案手法

• ESO 3.6 m望遠鏡に搭載されたHARPSスペクトログラフを用いて、WASP-127bの4つの高分解能食い込み観測を取得した。
• EulerCamおよびTESSの光曲線を統合し、軌道傾きや食の持続時間を含むシステムパラメータを精緻化した。
• 星のナトリウム線をモデル化し、地上の大気による汚染を補正することで、透過スペクトルを詳細に分析した。
• 星のナトリウム線の中心部に生じる低SNRの残差が、大気の吸収特徴を模倣する可能性を考慮した。
• HST/STISおよびSpakeら（2019）と一致する波長グリッドを用いて、一貫性のある再分析を実施し、異なる機器間の比較を可能にした。
• 今後の高分解能研究の指針とするために、ナトリウム吸収の振幅について3σの上限を0.594%として算出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 WASP-127bで以前に報告された5σのナトリウム検出は、機器的または大気的系外乱要因に起因していたか？
• RQ2 地上の大気由来のナトリウム発光と、星のナトリウム線における低SNRの残差が、高分解能食い込みスペクトル解析に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ3 D2線は検出可能である一方で、D1線は検出されないのはなぜか？熱平衡大気では2:1の強度比が予想されるが。
• RQ4 WASP-127bで測定されたナトリウム吸収は、HST、スパッティアーや地上望遠鏡による以前の検出とどのように比較できるか？
• RQ5 系統的誤差を補正した後、WASP-127bの大気中のナトリウム吸収の真の振幅は何か？

主な発見

• 以前に報告されたWASP-127bにおける5σのナトリウム検出は、地上の大気由来のナトリウム発光と星のナトリウム線における低SNRの残差による偽陽性であった。
• 系統的誤差を補正した後、真のナトリウム吸収深さは0.46% ± 0.20%であり、2.3σの検出に相当する。これは他の研究での非検出と整合的である。
• ナトリウム二重線のD2線のみがガウス型プロファイルでフィット可能であった。D1線は検出されなかったため、異常な線幅比または大気構造を示唆している。
• データはHSTおよびスパッティアーよりも以前の低分解能検出と整合的であるが、信号は弱く、1σレベルでは非検出と一致する。
• 今後の高分解能研究におけるナトリウム吸収の振幅の3σ上限は0.594%に設定され、今後の観測の重要なベンチマークを提供する。
• 本研究は、特に強い星の線と明るい主星を持つ標的に対して、高分解能系外惑星透過スペクトル測定における系統的誤差モデリングの重要性を強調している。