[논문 리뷰] A spectral survey of an ultra-hot Jupiter: Detection of metals in the transmission spectrum of KELT-9 b

H. J. Hoeijmakers, D. Ehrenreich외 17명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 06.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 83인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 HARPS-N를 사용하여 초고온 목성인 KELT-9 b의 고해상도 스펙트럼 조사 결과를 보고한다. 전이 스펙트럼에서 여러 금속 흡수선(Na i, Cr ii, Sc ii, Y ii, 그리고 확인된 Fe ii, Mg i 등)을 검출하였다. 기대보다 깊은 흡수선 깊이로 인해 대기의 확장되거나 기체가 유출되는 것으로 추정되며, 뚜렷한 도플러 시프트가 관측되지 않아 낮에서 밤 사이의 강한 바람이 없음을 시사한다. 궤도 모델링을 통해 보다 정밀한 행성 파라미터가 유도되었다.

ABSTRACT

Context: KELT-9 b exemplifies a newly emerging class of short-period gaseous exoplanets that tend to orbit hot, early type stars - termed ultra-hot Jupiters. The severe stellar irradiation heats their atmospheres to temperatures of $\sim 4,000$ K, similar to the photospheres of dwarf stars. Due to the absence of aerosols and complex molecular chemistry at such temperatures, these planets offer the potential of detailed chemical characterisation through transit and day-side spectroscopy. Studies of their chemical inventories may provide crucial constraints on their formation process and evolution history. Aims: To search the optical transmission spectrum of KELT-9 b for absorption lines by metals using the cross-correlation technique. Methods: We analyse 2 transits observed with the HARPS-N spectrograph. We use an isothermal equilibrium chemistry model to predict the transmission spectrum for each of the neutral and singly-ionized atoms with atomic numbers between 3 and 78. Of these, we identify the elements that are expected to have spectral lines in the visible wavelength range and use those as cross-correlation templates. Results: We detect absorption of Na I, Cr II, Sc II and Y II, and confirm previous detections of Mg I, Fe I, Fe II and Ti II. In addition, we find evidence of Ca I, Cr I, Co I, and Sr II that will require further observations to verify. The detected absorption lines are significantly deeper than model predictions, suggesting that material is transported to higher altitudes where the density is enhanced compared to a hydrostatic profile. There appears to be no significant blue-shift of the absorption spectrum due to a net day-to-night side wind. In particular, the strong Fe II feature is shifted by $0.18 \pm 0.27$ km~s$^{-1}$, consistent with zero. Using the orbital velocity of the planet we revise the steller and planetary masses and radii.

연구 동기 및 목표

• 고온의 A형 항성에 의해 조사되는 초고온 목성인 KELT-9 b의 가시광선 전이 스펙트럼에서 금속 흡수선을 탐지하기 위해.
• 흡수선의 도플러 시프트를 통해 대기 순환을 분석하고, 낮에서 밤으로의 대기 바람의 존재 여부를 조사하기 위해.
• 극한의 온도를 가진 외계행성 대기에서 금속선 강도를 예측하는等온 평형 화학 모델의 예측을 검증하기 위해.
• 전이 데이터의 도플러 속도를 이용한 궤도 모델링을 통해 행성 및 항성 파라미터의 제약 조건을 향상시키기 위해.

제안 방법

• KELT-9 b의 두 번의 전행 중에 HARPS-N 장비를 사용하여 고해상도 스펙트럼 측정을 수행하였다.
• 등온 평형 화학 모델에 의해 예측된 중성 원자 및 일차 이온화된 원자(Z = 3에서 78까지)의 합성 템플릿을 사용하여 교차 상관 기법을 적용하였다.
• 가시광선 범위(380–680 nm) 내에서 기대되는 스펙트럼 선을 바탕으로 템플릿을 선별하였으며, 흡수 특징을 탐지하기 위해 교차 상관 함수를 계산하였다.
• 검출된 선의 도플러 속도 시프트를 측정하여 대기 바람 패tern을 평가하였다.
• 관측된 데이터에 궤도 도플러 속도 곡선을 맞추어 항성 및 행성 파라미터를 보정하였다.
• 모델 예측 선 깊이를 관측된 깊이와 비교하여 대기 구조 및 대기 유출 가능성을 추론하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고해상도 전이 스펙트럼 분석을 통해 KELT-9 b 대기 중에 존재하는 금속은 무엇인가?
• RQ2 낮에서 밤으로의 대기 바람을 시사하는 흡수선의 검출 가능한 도플러 시프트는 존재하는가?
• RQ3 관측된 흡수선 깊이가 평형 화학 모델에 의해 예측된 것보다 현저히 깊은 이유는 무엇인가?
• RQ4 선 깊이 비정상성으로 유추되는 대기 구조는 대기 탈출 또는 수직 혼합에 대해 어떤 정보를 제공하는가?
• RQ5 전이 데이터의 도플러 속도 모델링을 통해 개선된 항성 및 행성 파라미터는 어떻게 도출될 수 있는가?

주요 결과

• Na i, Cr ii, Sc ii, Y ii의 흡수선이 5σ 이상의 유의수준에서 검출되어 KELT-9 b 대기 중에 존재함을 확인하였다.
• 검출된 흡수선은 등온 평형 화학 모델에 의해 예측된 것보다 현저히 깊었으며, 고도가 높은 곳에 더 많은 물질이 존재함을 시사한다. 이는 대기 유출 또는 확장된 대기층 때문일 가능성이 높다.
• 유의미한 도플러 시프트는 관측되지 않았다. Fe ii 선은 0.18 ± 0.27 km s⁻¹ 시프트되었으며, 이는 도플러 속도가 0과 일치함을 시사하여 낮에서 밤으로의 강한 순환 바람이 없음을 나타낸다.
• 이전에 확인된 Mg i, Fe i, Fe ii, Ti ii의 검출을 재확인하였으며, Ca i, Cr i, Co i, Sr ii의 존재에 대한 증거를 제시하였으나, 더 추가적인 검증이 필요하다.
• 수정된 행성 및 항성 파라미터를 도출하였다: M* = 1.978 ± 0.023 M☉, R* = 2.178 ± 0.011 R☉, mp = 2.44 ± 0.70 MJ, Rp = 1.783 ± 0.009 RJ.
• 강한 도플러 시프트가 없고 선 깊이가 증가한 점을 종합적으로 고려하면, 수직으로 확장되거나 기체가 유출되는 대기일 가능성이 높으며, 이는 극도로 강한 항성 복사에 의해 유도될 수 있다.