[論文レビュー] The thermal emission of the exoplanets WASP-1b and WASP-2b

P. J. Wheatley, A. Collier Cameron+25 more|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2010

Scientific Research and Discoveries参考文献 3被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、スパitzer宇宙望遠鏡の観測を用いて、赤外線カメラ（IRAC）の4つのバンド（3.6–8.0 μm）で、系外惑星WASP-1bおよびWASP-2bの熱放射を分析した。その結果、WASP-1bの上層大気に高圧力による吸収体（例：TiO）が存在することを示唆する強い温度逆転が観測されたが、WASP-2bでは逆転が認められなかった。この結果は、2×10⁹ erg s⁻¹ cm⁻²の照度レベルで大気構造の急激な転移が生じることを示唆しており、最も高照度のホット・ジュピターの大気上層部におけるTiOの光学活性がその原因である可能性がある。

ABSTRACT

We present a comparative study of the thermal emission of the transiting exoplanets WASP-1b and WASP-2b using the Spitzer Space Telescope. The two planets have very similar masses but suffer different levels of irradiation and are predicted to fall either side of a sharp transition between planets with and without hot stratospheres. WASP-1b is one of the most highly irradiated planets studied to date. We measure planet/star contrast ratios in all four of the IRAC bands for both planets (3.6-8.0um), and our results indicate the presence of a strong temperature inversion in the atmosphere of WASP-1b, particularly apparent at 8um, and no inversion in WASP-2b. In both cases the measured eclipse depths favor models in which incident energy is not redistributed efficiently from the day side to the night side of the planet. We fit the Spitzer light curves simultaneously with the best available radial velocity curves and transit photometry in order to provide updated measurements of system parameters. We do not find significant eccentricity in the orbit of either planet, suggesting that the inflated radius of WASP-1b is unlikely to be the result of tidal heating. Finally, by plotting ratios of secondary eclipse depths at 8um and 4.5um against irradiation for all available planets, we find evidence for a sharp transition in the emission spectra of hot Jupiters at an irradiation level of 2 x 10^9 erg/s/cm^2. We suggest this transition may be due to the presence of TiO in the upper atmospheres of the most strongly irradiated hot Jupiters.

研究の動機と目的

• 高照度の系外惑星WASP-1bおよびWASP-2bの熱放射および大気構造を調査すること。
• 大気の温度逆転の差が照度レベルに依存するかどうかを特定すること。
• 日側から夜側へのエネルギー再分配効率を、皆既 eclipse 深さの測定により評価すること。
• WASP-1bの半径が膨張している原因として、軌道の離心率が寄与している可能性を検証すること。
• 比較的広いサンプルを用いて、ホット・ジュピターの大気における転移の臨界照度を特定すること。

提案手法

• スパイザー宇宙望遠鏡のIRAC機器を用いて、4つの中赤外バンド（3.6–8.0 μm）で二次食の光度測定を実施した。
• 惑星/星の対比輝度比を測定し、eclipse 深さを導出し、大気の熱放射を推定した。
• 同時に、径速度および Transit 光度測定と一致するように、スパイザーの光曲線をフィットさせ、システムパラメータを精緻化した。
• ホット・ジュピターのサンプル全体において、8.0 μm と 4.5 μm でのeclipse 深さ比を分析し、大気の転移を検出した。
• 放射対流平衡モデルを用いて、温度構造を解釈し、温度逆転の有無を検証した。
• TiOの光学的特性と冷凝縮捕獲機構が、ホット・ジュピターの大気上層部における気体TiOの存在を可能にする役割を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 WASP-1bの大気が、8.0 μm放射によって示唆されるように、高照度により温度逆転を示しているか？
• RQ2 WASP-1bとWASP-2bの間で、日側から夜側へのエネルギー再分配効率はどのように異なるか？
• RQ3 WASP-1b や WASP-2b に軌道の離心率の兆候が認められ、それが潮汐加熱によってWASP-1bの半径が膨張している原因となっている可能性はあるか？
• RQ4 どの照度レベルでホット・ジュピターの大気の性質に急激な転移が生じるか？
• RQ5 最も高照度の惑星で観測された放射特徴を説明するために、上層大気中に気体TiOが存在している可能性はあるか？

主な発見

• WASP-1bは、特に8.0 μmで顕著な強い温度逆転を示しており、これは上層大気にTiOなどの高高度吸収体が存在することを示唆している。
• WASP-2bは温度逆転を示さず、低い照度および上層大気の強い加熱が見られないことと整合的である。
• 両惑星のeclipse 深さは、日-夜側間のエネルギー再分配が非効率であるモデルを支持しており、大気中の熱輸送が弱いことを示している。
• WASP-1b や WASP-2b に顕著な軌道の離心率は検出されず、WASP-1bの半径の膨張の原因として潮汐加熱が除外された。
• 照度が2×10⁹ erg s⁻¹ cm⁻²に達する地点で、大気放射に急激な転移が観測された。この閾値を超える惑星では、8.0 μm放射が強化されている。
• この転移は、最も高照度のホット・ジュピターの大気上層部における気体TiOの光学的活性の開始を示す証拠と解釈された。