[論文レビュー] Transit spectrophotometry of the exoplanet HD189733b. I. Searching for water but finding haze with HST NICMOS

David K. Sing, Jean-Michel Désert+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2009

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 44被引用数 112

ひとこと要約

本研究では、ハッブル宇宙望遠鏡のNICMOSを用いたHD189733bの食の狭帯域フォトレトメトリを用い、近赤外域における大気中の水蒸気を探索した。H2O吸収を標的にしたが、5σの信頼水準で顕著なH2O特徴は検出されず、代わりに0.5〜2 μmの波長域で、サブミクロンサイズのスス粒子によるレイリー散乱が透過スペクトルを支配しており、この波長域では分子の特徴が隠蔽されていることが示された。

ABSTRACT

We present Hubble Space Telescope near-infrared transit photometry of the nearby hot-Jupiter HD189733b. The observations were taken with the NICMOS instrument during five transits, with three transits executed with a narrowband filter at 1.87 microns and two performed with a narrowband filter at 1.66 microns. Our observing strategy using narrowband filters is insensitive to the usual HST intra-orbit and orbit-to-orbit measurement of systematic errors, allowing us to accurately and robustly measure the near-IR wavelength dependance of the planetary radius. Our measurements fail to reproduce the Swain et al. absorption signature of atmospheric water below 2 microns at a 5-sigma confidence level. We measure a planet-to-star radius contrast of 0.15498+/-0.00035 at 1.66 microns and a contrast of 0.15517+/-0.00019 at 1.87 microns. Both of our near-IR planetary radii values are in excellent agreement with the levels expected from Rayleigh scattering by sub-micron haze particles, observed at optical wavelengths, indicating that upper-atmospheric haze still dominates the near-IR transmission spectra over the absorption from gaseous molecular species at least below 2 microns.

研究の動機と目的

• ハッブル宇宙望遠鏡NICMOSの狭帯域フォトレトメトリを用いて、HD189733bの近赤外域における惑星半径を高精度に測定すること。
• スウェインら（2008年）が報告したように、2 μm未満の波長域で大気中の水蒸気吸収特徴が存在するかを検証すること。
• 近赤外透過スペクトルを支配するのは上層大気のススか、気体分子種かを特定すること。
• 系統誤差の存在下でも近赤外線食フォトレトメトリの信頼性を評価するため、狭帯域フィルタを用いたこと。
• 将来のジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡による系外惑星大気観測のための重要なベンチマークを提供すること。

提案手法

• 系統誤差を最小限に抑えるために、1.66 μmおよび1.87 μmの2つの狭帯域フィルタを用いて、ハッブル宇宙望遠鏡NICMOSによる5回の食観測を実施した。
• スピンオービットおよびオービット間の系統誤差に強く影響を受けないフォトレトメトリ戦略を採用した。
• 各波長における惑星対星の半径対比を高精度に測定し、それぞれ±0.00035および±0.00019の不確実性を達成した。
• サブミクロンサイズのスス粒子によるレイリー散乱の予測と、H2O吸収を含むモデルを比較した。
• 半径対比の波長依存性を用いて、粒子サイズ分布および透過率の原因を推定した。
• スウェインら（2008年）のスペクトル的データとの整合性を評価し、極端なスペクトル端縁部を除外することで、ススモデルとの適合性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HD189733bの近赤外透過スペクトルには、2 μm未満で大気中の水蒸気由来の検出可能な吸収特徴が見られるか？
• RQ2 サブミクロンサイズのスス粒子は、HD189733bの近赤外透過スペクトルのどの程度を支配しているか？
• RQ3 スウェインら（2008年）が報告したH2O吸収特徴は、系統誤差の影響を受けても安定しているか？
• RQ4 惑星半径の波長依存性に基づいて、上層大気ススの推定粒子サイズ分布は何か？
• RQ5 狭帯域フォトレトメトリの結果は、ハッブル宇宙望遠鏡およびスパイザーテレスコピック測定とどのように一致するか？

主な発見

• 1.66 μmにおける惑星対星半径対比は0.15498 ± 0.00035、1.87 μmでは0.15517 ± 0.00019であり、顕著な波長依存性は認められなかった。
• 観測された半径は、H2O吸収ではなくサブミクロンサイズのスス粒子によるレイリー散乱の予測と極めて良好に一致した。
• 本研究では、2 μm未満でH2O吸収特徴が存在しないことを5σの信頼水準で否定した。これはスウェインら（2008年）の報告に反する。
• データは、スウェインら（2008年）が観測したスペクトル的特徴が、特にスペクトル端縁部で残存する系統誤差に起因するアーチファクトである可能性を示唆している。
• スス分布における最大粒子径は0.009–0.086 μmに制限され、MgSiO3の凝縮生成物と整合的であった。
• 2〜3 μmの間でスス支配からガス支配への遷移が起こり、スパイザーティラックのフォトレトメトリが3 μmを超える波長でより大きな半径を示すことから裏付けられた。