[論文レビュー] Polarized scattered light from self-luminous exoplanets. Three-dimensional scattering radiative transfer with ARTES

T. Stolker, M. Min+4 more|UvA-DARE (University of Amsterdam)|Jun 28, 2017

Atmospheric Ozone and Climate参考文献 138被引用数 26

ひとこと要約

本稿では、自己発光する系外惑星からの偏光散乱光をモデル化するための3次元モンテカルロ放射移動コード（ARTES）を提示する。主な焦点は、雲の不均一性、赤道への偏平化、および惑星周囲円盤といった大気の非対称性が近赤外領域の偏光に与える影響である。主な結果として、赤道に高高度で光学的厚さの大きな雲がある扁平な惑星では偏光が最大（約1％まで）に達するが、マイクロメートルサイズの粒子は前向散乱のため偏光を抑制することが示された。

ABSTRACT

Direct imaging has paved the way for atmospheric characterization of young and self-luminous gas giants. Scattering in a horizontally-inhomogeneous atmosphere causes the disk-integrated polarization of the thermal radiation to be linearly polarized, possibly detectable with the newest generation of high-contrast imaging instruments. We aim to investigate the effect of latitudinal and longitudinal cloud variations, circumplanetary disks, atmospheric oblateness, and cloud particle properties on the integrated degree and direction of polarization in the near-infrared. We have developed a three-dimensional Monte Carlo radiative transfer code (ARTES) for scattered light simulations in (exo)planetary atmospheres. The code is applicable to calculations of reflected light and thermal radiation in a spherical grid with a parameterized distribution of gas, clouds, hazes, and circumplanetary material. The disk-integrated degree of polarization of a horizontally-inhomogeneous atmosphere is maximal when the planet is flattened, the optical thickness of the equatorial clouds is large compared to the polar clouds, and the clouds are located at high altitude. For a flattened planet, the integrated polarization can both increase or decrease with respect to a spherical planet which depends on the horizontal distribution and optical thickness of the clouds. The direction of polarization can be either parallel or perpendicular to the projected direction of the rotation axis when clouds are zonally distributed. Rayleigh scattering by submicron-sized cloud particles will maximize the polarimetric signal whereas the integrated degree of polarization is significantly reduced with micron-sized cloud particles as a result of forward scattering. The presence of a cold or hot circumplanetary disk may also produce a detectable degree of polarization ($\lesssim$1%) even with a uniform cloud layer in the atmosphere.

研究の動機と目的

• 自己発光する系外惑星の近赤外領域におけるディスク統合偏光に、3次元的大気非対称性が与える影響を調査すること。
• 次世代の高対比イメージング機器を用いた、若い自己発光ガス惑星からの偏光信号の検出可能性を評価すること。
• 雲の性質、惑星の偏平化、および惑星周囲円盤が偏光度と偏光方向に与える影響を定量化すること。
• 赤外線偏光測定が、直接撮像された系外惑星の大気構造と運動の診断ツールとしての可能性を評価すること。
• 散乱熱放射と反射光の両方を扱える物理的に整合性のある3次元放射移動フレームワークを構築すること。

提案手法

• ガス、雲、スス、惑星周囲物質の分布をパラメータ化した球対称グリッドを用いた、散乱光のための3次元モンテカルロ放射移動コードARTESを開発した。
• 熱放射と散乱プロセスを分離するために、熱構造にグレイ大気近似を用いた。
• 粒子サイズを変化させたレイリー散乱およびミー型散乱を用いて、サイズ依存の偏光効果を評価した（サブミクロンからマイクロメートルまで）。
• 水平方向の光学的厚さの違い（例：赤道雲対極域雲）と高度を考慮した雲分布をモデル化し、非対称性の影響を検討した。
• 惑星の偏平化と惑星周囲円盤を組み込んで、それらが偏光信号に与える影響を評価した。
• さまざまな観測幾何と大気配置におけるディスク統合偏光度と偏光方向を計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 水平方向の雲の不均一性（例：赤道雲対極域雲のデッキ）が、自己発光する系外惑星の統合偏光度と偏光方向に与える影響は何か？
• RQ2 惑星の偏平化は、近赤外領域における検出可能な偏光信号をどの程度増幅または抑制するか？
• RQ3 雲粒子のサイズと散乱特性（例：レイリー散乱対ミー散乱）は、偏光信号の強度にどのように影響するか？
• RQ4 均一な大気雲層を持つ場合でも、惑星周囲円盤または輪が検出可能な偏光信号を生じるか？
• RQ5 現在および将来の機器で検出を可能にするために、偏光を最大限に高める最適な大気的および幾何的条件は何か？

主な発見

• ディスク統合偏光が最大になるのは、惑星が扁平であり、赤道に高高度で光学的厚さの大きな雲があり、極域に薄い雲がある場合である。
• 扁平な惑星では、水平方向の雲分布と光学的厚さに応じて、球形の惑星と比較して偏光が増加または減少する可能性がある。
• 雲がゾナルに分布している場合、偏光方向は投影された回転軸に対して平行または垂直のどちらにもなる。
• サブミクロン粒子によるレイリー散乱が偏光信号を最大にし、マイクロメートルサイズの粒子は強い前向散乱のため偏光を低減する。
• 冷たいまたは熱い惑星周囲円盤は、均一な大気雲層がある場合でも、最大で約1％の検出可能な偏光レベルを生じる。
• 偏光信号は、高高度で光学的厚さの大きな赤道雲デッキと惑星の偏平化に対して最も敏感であり、これらが偏光的特徴付けの主要な指標である。