[論文レビュー] Into the Storm: Diving into the winds of the ultra hot Jupiter WASP-76 b with HARPS and ESPRESSO

J. V. Seidel, D. Ehrenreich+27 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、HARPSおよびESPRESSOの高分解能分光法を用いて、超高温木星WASP-76bの大気におけるナトリウム二重線を分析し、惑星の自転を組み込んだ更新されたMERCコードを用いて風のパターンをモデル化した。上層大気では22.7 km/sの垂直風が、下層大気では5.5 km/sの水平風が検出され、10^{-3} barの圧力で風のパターンに転換が見られ、中間大気層における垂直ダイナミクスの観測的証拠が得られた。

ABSTRACT

Despite swift progress in the characterisation of exoplanet atmospheres in composition and structure, the study of atmospheric dynamics has not progressed at the same speed. While theoretical models have been developed to describe the lower layers of the atmosphere and, disconnected, the exosphere, little is known about the intermediate layers up to the thermosphere. We aim to provide a clearer picture of atmospheric dynamics for the class of ultra hot Jupiters, highly-irradiated gas giants, on the example of WASP-76~b. We analysed two datasets jointly, obtained with the HARPS and ESPRESSO spectrographs, to interpret the resolved planetary sodium doublet. We then applied an updated version of the MERC code, with added planetary rotation, also provides the possibility to model the latitude dependence of the wind patterns. We retrieve the highest Bayesian evidence for an isothermal atmosphere, interpreted as a mean temperature of $3389\pm227$ K, a uniform day-to-night side wind of $5.5^{+1.4}_{-2.0}\,$ km/s in the lower atmosphere with a vertical wind in the upper atmosphere of $22.7^{+4.9}_{-4.1}\,$ km/s, switching atmospheric wind patterns at $10^{-3}$ bar above the reference surface pressure ($10$ bar). Our results for WASP-76~b are compatible with previous studies of the lower atmospheric dynamics of WASP-76~b and other ultra hot Jupiters. They highlight the need for vertical winds in the intermediate atmosphere above the layers probed by global circulation model studies to explain the line broadening of the sodium doublet in this planet. This work demonstrates the capability of exploiting the resolved spectral line shapes to observationally constrain possible wind patterns in exoplanet atmospheres, an invaluable input to more sophisticated 3D atmospheric models in the future.

研究の動機と目的

• 超高温木星の大気ダイナミクス、特に対流圏と熱圏の間の中間層における理解を深めること。
• 高放射エネルギーを受ける系外惑星の上層大気における風のパターンに関する観測的制約の不足を解消すること。
• 更新されたスペクトル解析技術を用いて、惑星の自転と大気の風の両方の効果をモデル化すること。
• 分解能のあるスペクトル線の形状が、系外惑星大気における垂直および水平風のパターンを制約できるかどうかを検証すること。

提案手法

• WASP-76bの惑星的ナトリウム二重線を標的にしたHARPSおよびESPRESSO機器からの高分解能分光データの共同解析。
• 惑星の自転と緯度依存風パターンを組み込んだ、MERCコードの更新版の適用。
• ベイズ的推論を用いて、温度および風速を含む大気パラメータを復元。
• 線幅形状のモデリングにより、ナトリウム吸収特徴に起因する風に起因するドップラーシフトおよび幅広がりを推定。
• 観測された線幅広がりを説明するため、上層大気における垂直風成分を組み込み。
• ベイズ的証拠を用いてモデルの適合度を評価し、最も妥当な大気構造を選定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 WASP-76bの大気、特に中間層における水平風および垂直風のパターンは何か？
• RQ2 惑星の自転と緯度依存風は、観測されたナトリウム線幅形状にどのように影響を与えるか？
• RQ3 分解能のあるスペクトル線形状は、グローバル循環モデルが予測する範囲を超えた大気ダイナミクスを観測的に制約できるか？
• RQ4 WASP-76bの大気の温度構造は何か？また、風のパターンとどのように関係しているか？
• RQ5 風のパターンが水平優位から垂直優位に転換する圧力レベルは何か？

主な発見

• WASP-76bの大気は、平均温度3389 ± 227 Kの等温モデルに最もよく適合する。
• 下層大気では、一様な水平風5.5+1.4−2.0 km/sが回復され、昼側から夜側への流れと整合的である。
• 観測された線幅広がりを説明するため、上層大気で22.7+4.9−4.1 km/sの強い垂直風が必要である。
• 水平風と垂直風の支配的パターンの転換は、10^{-3} barの圧力レベルで発生し、10 barの基準表面圧力より上位である。
• 垂直風を含むモデルが最高のベイズ的証拠を示し、データを説明するためにその必要性が示された。
• 結果は、超高温木星の3次元大気モデルに垂直ダイナミクスを組み込む必要があることを支持する。