[論文レビュー] Transit spectrophotometry of the exoplanet HD189733b. II. New Spitzer observations at 3.6 microns

Jean-Michel Désert, David K. Sing+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2010

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 49

ひとこと要約

本研究は、3.6 μmにおけるExoplanet HD 189733bの高精度なSpitzer/IRAC食光度測定を提示し、以前の測定と比較して精度を3倍向上させた。地上望遠鏡のVバンド光度測定を用いて星の活動を補正し、惑星半径比の不一致を解消した。その結果、3.6 μmにおける半径異常は水蒸気ではなく、スモーグによるレイリー散乱に起因する可能性が高いことが示された。

ABSTRACT

We present a new primary transit observation of the hot-jupiter HD189733b, obtained at 3.6 microns with the Infrared Array Camera (IRAC) onboard the Spitzer Space Telescope. Previous measurements at 3.6 microns suffered from strong systematics and conclusions could hardly be obtained with confidence on the water detection by comparison of the 3.6 and 5.8 microns observations. We use a high S/N Spitzer photometric transit light curve to improve the precision of the near infrared radius of the planet at 3.6 microns. The observation has been performed using high-cadence time series integrated in the subarray mode. We are able to derive accurate system parameters, including planet-to-star radius ratio, impact parameter, scale of the system, and central time of the transit from the fits of the transit light curve. We compare the results with transmission spectroscopic models and with results from previous observations at the same wavelength. We obtained the following system parameters: R_p/R_\star=0.15566+0.00011-0.00024, b=0.661+0.0053-0.0050, and a/R_\star=8.925+0.0490-0.0523 at 3.6 microns. These measurements are three times more accurate than previous studies at this wavelength because they benefit from greater observational efficiency and less statistic and systematic errors. Nonetheless, we find that the radius ratio has to be corrected for stellar activity and present a method to do so using ground-based long-duration photometric follow-up in the V-band. The resulting planet-to-star radius ratio corrected for the stellar variability is in agreement with the previous measurement obtained in the same bandpass (Desert et al. 2009). We also discuss that water vapour could not be evidenced by comparison of the planetary radius measured at 3.6 and 5.8 microns, because the radius measured at 3.6 microns is affected by absorption by other species, possibly Rayleigh scattering by haze.

研究の動機と目的

• 高時間分解能のSpitzer/IRAC観測を用いて、3.6 μmにおける惑星対星半径比の精度を向上させること。
• 以前の水蒸気の検出を阻害していた系統誤差および星の活動効果を解消すること。
• 3.6 μmおよび5.8 μmにおける以前のSpitzer観測で得られた、水蒸気の存在に関する矛盾する結果を統合すること。
• 地上望遠鏡のVバンド光度追跡を用いて、星の変動を補正する手法を開発・適用すること。
• 大気構造および組成の制約を高めるために、インパクトパラメータおよび軌道スケールを精緻化すること。

提案手法

• Spitzer宇宙望遠鏡のIRAC機器を用いて、3.6 μmにおける高時間分解能・サブアレイモードの食光度曲線を取得した。
• リムダークの効果を考慮した食モデルを用いて光度曲線をフィットし、Rp/R⋆、インパクトパラメータb、a/R⋆などのシステムパラメータを導出した。
• パラメータの相関関係およびパラメータ空間全体の不確実性を調査するため、Prayer Bead法を適用した。
• 星の回転調制（spots由来）を追跡するために、地上のVバンド光度測定を用いて星の変動をモニタリングした。
• 食時にspotsによる相対的フラックス低下をモデル化することで、3.6 μmにおける惑星半径比を星の活動に補正した。
• 補正済みのRp/R⋆を以前の測定値およびレイリー散乱と水蒸気吸収の理論モデルと比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高精度なSpitzer観測により、星の活動が原因で生じる惑星対星半径比の不一致を3.6 μmで解消できるか？
• RQ2 星spots由来のフラックス変動が、食光度測定における3.6 μmでの導出されたRp/R⋆にどの程度バイアスを及えるか？
• RQ3 3.6 μmでの観測半径比が5.8 μmと比較された場合、水蒸気の存在を支持するものか、それとも他の大気的効果が支配的か？
• RQ4 本研究で得られた新しい観測からのシステムパラメータ（Rp/R⋆、b、a/R⋆）は、以前のSpitzer観測および他の研究とどのように一致するか？
• RQ5 地上のVバンド光度追跡を用いた星の活動補正法は、高精度な系外惑星食測定において信頼できるものか？

主な発見

• 3.6 μmにおける惑星対星半径比はRp/R⋆ = 0.15566⁺⁰.⁰⁰⁰¹¹₋₀.⁰⁰⁰²⁴と測定され、以前の研究と比較して3倍の精度向上を達成した。
• インパクトパラメータはb = 0.661⁺⁰.⁰⁰⁵³₋₀.⁰⁰⁵⁰、システムスケールはa/R⋆ = 8.925⁺⁰.⁰⁴⁹⁰₋₀.⁰⁵²³と決定された。
• 本研究の訪問3（visit 3）における3.6 μm半径比は、補正されていない星の活動のため、訪問1（visit 1）と比較して4σ高いが、Vバンド補正後は一致するようになった。
• Vバンドで測定された星の活動（fV-band ≈ -2%）に起因するフラックス変動を補正した後、3.6 μmにおける補正済みRp/R⋆は、訪問1および以前の測定値と一致した。
• 本研究では、水蒸気の検出は3.6 μmと5.8 μmの半径比を比較するだけでは信頼できないと結論づけた。3.6 μmの信号は、スモーグによるレイリー散乱に起因している可能性が高い。
• 地上Vバンド追跡を用いた補正法は、星の活動効果を的確に分離・除去でき、より信頼性の高い大気の解釈を可能にした。