[論文レビュー] HST/STIS Lyman-alpha observations of the quiet M dwarf GJ436: Predictions for the exospheric transit signature of the hot neptune GJ436b

D. Ehrenreich, A. Lecavelier des Étangs+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2011

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 55被引用数 26

ひとこと要約

本研究は、静穏なM型矮星GJ 436の最初の高分解能ハッブル宇宙望遠鏡（HST）/STISによるリプマンアルファ観測を報告し、1215.67 Åで強い発光を検出している。粒子シミュレーションとエネルギー図モデルを用いて、熱海王星GJ 436bがリプマンアルファ軌道光曲線で11%の吸収特徴を示すと予測しており、質量損失率が約10¹⁰ g s⁻¹である安定で観測可能なエクソスフィアであることを示している。

ABSTRACT

Lyman-alpha (Lya) emission of neutral hydrogen (1215.67 Angström) is the main contributor to the ultraviolet flux of low-mass stars such as M dwarfs. It is also the main light source used in studies of the evaporating upper atmospheres of transiting extrasolar planets with ultraviolet transmission spectroscopy. However, there are very few observations of the Lya emissions of quiet M dwarfs, and none exist for those hosting exoplanets. Here, we present Lya observations of the hot-neptune host star GJ436 with the Hubble Space Telescope Imaging Spectrograph (HST/STIS). We detect bright emission in the first resolved and high quality spectrum of a quiet M dwarf at Lya. Using an energy diagram for exoplanets and an N-body particle simulation, this detection enables the possible exospheric signature of the hot neptune to be estimated as a ~11% absorption in the Lya stellar emission, for a typical mass-loss rate of 10^10 g/s. The atmosphere of the planet GJ436b is found to be stable to evaporation, and should be readily observable with HST. We also derive a correlation between X-ray and Lya emissions for M dwarfs. This correlation will be useful for predicting the evaporation signatures of planets transiting other quiet M dwarfs.

研究の動機と目的

• 静穏なM型矮星GJ 436のリプマンアルファ発光を測定すること。GJ 436は軌道移動する熱海王星の主星である。
• 紫外線透過分光法を用いてGJ 436bの大気の脱出の検出可能性を評価すること。
• M型矮星におけるX線とリプマンアルファ発光の相関関係を確立し、エクソスフィア軌道特徴を予測すること。
• 高放射照射と質量損失条件下でのGJ 436bの大気の安定性と観測可能性を評価すること。

提案手法

• HST/STISを用いて、サイクル17（GO/DD 11817）中にGJ 436の高分解能リプマンアルファスペクトルを取得した。
• GJ 436および他のM型矮星のアーカイブデータから、正規化リプマンアルファ放射（R_Lyα = f_Lyα / f_bol）およびX線放射（R_X = f_X / f_bol）を計算した。
• GJ 436bの周囲の水素エンベロープの広がりと密度をモデル化するため、惑星エクソスフィアのエネルギー図を構築した。
• N体粒子シミュレーションを実施し、惑星エクソスフィアのリプマンアルファ線幅プロファイルにおける軌道深度を推定した。
• HSTのリプマンアルファおよびX線測定値を用いて線形回帰をフィットし、相関関係 log(R_Lyα) ≈ 0.5 log(R_X) - 2.2 を導出した。
• 得られた質量損失率（約10¹⁰ g s⁻¹）を用いて、リプマンアルファ線における軌道吸収深度を予測した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 静穏なM型矮星GJ 436の固有のリプマンアルファ発光レベルは何か？
• RQ2 GJ 436bのエクソスフィア軌道特徴は、星のリプマンアルファ放射と惑星の質量損失率から予測可能か？
• RQ3 GJ 436bの軌道移動時、リプマンアルファ光曲線における予想される吸収深度は何か？
• RQ4 M型矮星におけるX線とリプマンアルファ発光間に測定可能な相関関係があるか？この相関関係はエクソスフィア特徴の予測に利用可能か？
• RQ5 GJ 436bの大気は、高い放射照射下で水素的脱出に対して安定か？

主な発見

• HST/STIS観測は、静穏なM型矮星からのリプマンアルファ発光の最初の解像度の高い高品質スペクトルを提供しており、GJ 436は1215.67 Åで強い発光を示している。
• GJ 436の正規化リプマンアルファ放射はR_Lyα = -4.60であり、低質量にもかかわらず紫外線で明るい源であることを示している。
• GJ 436bの質量損失率が約10¹⁰ g s⁻¹であると仮定すると、リプマンアルファ軌道吸収深度は約11%と予測され、エクソスフィアの観測可能性が示唆される。
• GJ 436bの大気は蒸発に対して安定であり、エクソスフィアはローチューブを越えて広がっており、星の放射圧によって維持されている。
• M型矮星におけるX線とリプマンアルファ発光の相関関係が確立され、log(R_Lyα) ≈ 0.5 log(R_X) - 2.2 であると示された。これにより、他の系の予測が可能になる。
• 本研究は、リプマンアルファで十分に明るい星を周回する他の軌道移動惑星、特にGJ 1214bのようなスーパーアースについても、リプマンアルファ軌道分光法による観測が可能である可能性を示唆している。