[論文レビュー] Investigation of the upper atmosphere in ultra-hot Jupiter WASP-76 b with high-resolution spectroscopy

Kiyoe Kawauchi, Norio Narita+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 61被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、Subaru/HDSを用いた超高解像度透過スペクトル測定により、超高温木星WASP-76bのNa D吸収線を検出。線幅と吸収深さが強化されており、熱圏温度が3700–4200 Kに達することが判明。これは約2160 Kの平衡温度を著しく上回っており、星からのX線およびEUV放射による大気加熱を示唆している。

ABSTRACT

Alkali metal lines are one of the most important key opacity sources for understanding exoplanetary atmospheres because the Na I resonance doublets are thought to be the cause of low albedo, as the alkali metal's wide line wings absorb almost all of the incoming stellar irradiation. High-resolution transmission spectroscopy of Na absorption lines can be used to investigate the temperature of the thermosphere of hot Jupiters, which is increased by stellar X-ray and EUV irradiation. We applied high-resolution transmission spectroscopy to the ultra-hot Jupiter WASP-76 b with the High Dispersion Spectrograph (HDS) on the Subaru 8.2 m telescope. We report the detection of strong Na D excess absorption with line contrasts of 0.42 $\pm$ 0.03 % (D1 at 5895.92 {A}) and 0.38 $\pm$ 0.04 % (D2 at 5889.95 {A}), FWHMs of 1.63 $\pm$ 0.13 {A} (D1) and 1.87 $\pm$ 0.22 {A} (D2), and EWs of (7.29 $\pm$ 1.43) $ imes$ 10$^{-3}$ {A} (D1) and (7.56 $\pm$ 2.38) $ imes$ 10$^{-3}$ {A} (D2). These results show that the Na D absorption lines are shallower and broader than those in previous work, whereas the absorption signals over the same passband are consistent with those in previous work. We derive the best-fitted isothermal temperature of 3700 K (without rotation) and 4200 K (with rotation). These results suggest the possibility of the existence of a thermosphere because the derived atmospheric temperature is higher than the equilibrium temperature ($\sim$ 2160 K).

研究の動機と目的

• 高分解能透過スペクトルを用いて、超高温木星WASP-76bの上層大気構造を調査すること。
• Na D線プロファイルの解析を通じて、熱圏の温度および力学的状態を特定すること。
• 改善されたデータ還元およびモデリングを適用することで、過去の高分解能Na吸収測定における矛盾を解消すること。
• 線幅および非対称性の分析を通じて、大気の脱出および風のパターンの役割を評価すること。
• 熱イオン化および回転効果を含む理論モデルと観測された透過スペクトルを比較すること。

提案手法

• スペクトル分解能約90,000で、Subaru 8.2 m望遠鏡のHigh Dispersion Spectrograph (HDS) を用いて、WASP-76bの食時に観測した。
• 大気圏、星、機器由来の特徴を除去するためのカスタムデータ還元パイプラインを適用し、惑星の径方向速度を補正した。
• ガウスおよび理論的透過率モデルを用いてNa D線プロファイルにフィットさせ、等温および放射平衡仮定を含めた。
• スペクトルフィッティングの改善のため、ナトリウムの熱イオン化および回転効果を理論モデルに組み込んだ。
• emceeパッケージを用いたマルコフ連鎖モンテカルロ（MCMC）法により、不確実性を推定し、モデル比較を実施した。
• 観測された線対比、FWHM、等価幅を、低分解能データおよび過去の高分解能研究と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高分解能スペクトルを用いた場合、WASP-76bの大気におけるNa D吸収の正確な線対比、FWHM、等価幅は何か？
• RQ2 HARPSおよびESPRESSOからの過去の測定値と比較して、導出されたNa D線パラメータはどのように異なるか？
• RQ3 WASP-76bの推定される熱圏温度は何か？また、それは平衡温度を上回っているか？
• RQ4 広がったおよび非対称なNa D線プロファイルから、風、回転、脱出といった大気力学的要因はどのように示唆されるか？
• RQ5 熱イオン化および回転を含む理論モデルは、観測された透過スペクトルをどの程度よく再現できるか？

主な発見

• Na D1線は、対比0.42 ± 0.03%、FWHM 1.63 ± 0.13 Å、等価幅(7.29 ± 1.43) × 10⁻³ Åを示した。
• Na D2線は、対比0.38 ± 0.04%、FWHM 1.87 ± 0.22 Å、等価幅(7.56 ± 2.38) × 10⁻³ Åを示した。
• Na D線プロファイルは、過去の研究と比較して広がっており（速度空間におけるFWHM ~80.7 ± 7.9 km/s）、回転に加えて追加の大気風が存在することを示唆している。
• 最良のフィットを示す等温モデルでは、回転なしで3700 K、回転ありで4200 Kの温度が得られ、両者とも約2160 Kの平衡温度を著しく上回っている。
• 観測された線の非対称性および青シフトは、昼夜間の大気化学反応を支持しており、夜側における鉄の凝縮と整合的である。
• モデル比較の結果、回転および熱イオン化を含む等温モデルが最良のフィットを示し、赤色二乗誤差（χ²）はFaddで0.38、EMCで0.48であった。