[論文レビュー] The GAPS programme at TNG XXII. The GIARPS view of the extended helium atmosphere of HD189733 b accounting for stellar activity

G. Guilluy, V. Andretta+49 more|UA Campus Repository (The University of Arizona)|May 12, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 69被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、TNGのGIARPSを用いて、HD 189733 bの拡張大気における星の活動効果と真のヘリウム吸収を区別するために、同時光学(Hα)および近赤外(He I 1083.3 nm)分光法を実施した。3つの食事では安定したヘリウム吸収(0.77 ± 0.04%)が観測され、これが真の惑星大気信号であると解釈された。他の食事で観測された変動する信号は、星の活動領域およびフィラメントに起因するとされ、これにより~1–2 g s⁻¹の信頼性の高い質量損失率の推定が可能になった。

ABSTRACT

Exoplanets orbiting very close to their host star are strongly irradiated. This can lead the upper atmospheric layers to expand and evaporate into space. The metastable helium (HeI) triplet at 1083.3nm has recently been shown to be a powerful diagnostic to probe extended and escaping exoplanetary atmosphere. We perform high-resolution transmission spectroscopy of the transiting hot Jupiter HD189733b with the GIARPS (GIANO-B + HARPS-N) observing mode of the Telescopio Nazionale Galileo, taking advantage of the simultaneous optical+near infrared spectral coverage to detect HeI in the planet's extended atmosphere and to gauge the impact of stellar magnetic activity on the planetary absorption signal. Observations were performed during five transit events of HD189733b. By comparison of the in- and out-of-transit GIANO-B observations we compute high-resolution transmission spectra, on which we perform equivalent width measurements and light-curves analyses to gauge the excess in-transit absorption in the HeI triplet. We detect an absorption signal during all five transits. The mean in-transit absorption depth amounts to 0.75+/-0.03%. We detect night-to-night variations in the HeI absorption signal likely due to the transit events occurring in presence of stellar surface inhomogeneities. We evaluate the impact of stellar-activity pseudo-signals on the true planetary absorption using a comparative analysis of the HeI and the H$α$ lines. We interpret the time-series of the HeI absorption lines in the three nights not affected by stellar contamination -exhibiting a mean in-transit absorption depth of 0.77+/-0.04%- using a 3-d atmospheric code. Our simulations suggest that the helium layers only fill part of the Roche lobe. Observations can be explained with a thermosphere heated to $\sim$12000 K, expanding up to $\sim$1.2 planetary radii, and losing $\sim$1 g/s of metastable helium.

研究の動機と目的

• HD 189733 bの透過分光法において、星の活動に起因する擬似信号から真の惑星的ヘリウム吸収を分離すること。
• プラージュやフィラメントなどの星の表面不均一性が、近赤外He I三重線測定に与える影響を評価すること。
• 観測されたヘリウム吸収の変動が星の活動由来であるのか、それとも大気的変化由来であるのかを特定すること。
• 高分解能透過分光法における惑星的大気信号と星の汚染を区別するための手法を確立すること。

提案手法

• HD 189733 bの複数回の食事中に、He I 1083.3 nm三重線とHα線の同時高分解能分光法。
• 星の活動特徴に関連する相関または逆相関を特定するために、He IおよびHα線プロファイルの比較分析。
• EVEコードを用いた3次元数値シミュレーションにより、熱圏をモデル化し、観測された吸収深さから質量損失率を推定。
• 星のフィラメントや活動領域の食事に起因する、トランジット固有の信号（発光ピークや逆相関行動）の同定。
• 表面不均一性に起因する惑星的大気吸収と星の擬似信号を区別するための統計的フレームワークの適用。
• アーカイブおよび同時観測の星の活動診断を用いて、一時的信号の解釈を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 星の活動領域および表面不均一性は、系外惑星透過スペクトルにおけるヘリウム吸収信号をどれほど模倣または歪めるか？
• RQ2 食事中のHαおよびHe I 1083.3 nm線プロファイルの変動は、星の表面特徴とどのように相関するか？
• RQ3 観測されたHe I吸収は、真の大気的脱出由来であると説明できるか、それとも星の活動による汚染を受けているか？
• RQ4 星の活動効果を補正した後、HD 189733 bの真の質量損失率は何か？
• RQ5 星のフィラメントおよびプラージュは、軌道移動系系外惑星における近赤外ヘリウム三重線吸収の解釈にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 3つのトランジット（2, 4, 5）では、0.77 ± 0.04%の安定したヘリウム吸収が観測され、星の活動に影響されない強固な惑星的大気信号と解釈された。
• 1つのトランジット（3）では、He IとHα信号の間で逆相関が観測され、これは惑星が完全に覆われない星の活動領域（プラージュ）を食していることによるものと説明された。
• トランジット1では、He IおよびHαの両方で一時的な発光ピークが観測されたが、これは大気吸収ではなく、星のフィラメントの食事に起因するとされた。
• 観測されたヘリウム吸収は、約12,000 Kに加熱されたコンパクトな熱圏がローチューブ内1.2個の惑星半径まで延びていることによって最もよく説明された。
• 安定した吸収信号から導かれた質量損失率は~1–2 g s⁻¹であり、3D EVEシミュレーションおよび先行研究と整合的であった。
• 星風およびXUV変動は、観測されたヘリウム信号の変動を説明できない。なぜなら、トランジット中のHα発光は、風駆動吸収の予想と矛盾するからである。