[논문 리뷰] Analysis of Spitzer Mid Infrared Spectra of Irradiated Planets: Evidence for Water Vapor?

Jonathan J. Fortney, Mark S. Marley|arXiv (Cornell University)|2007. 05. 23.

Stellar, planetary, and galactic studies인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 Spitzer IRS의 중간 적외선 스펙트럼을 이용해 전행하는 외계 행성 HD 209458b와 HD 189733b를 분석하여, 10 µm 이하 파장에서 기대되는 수증기 흡수 피크가 없는 특징이 없는 복사율 비율을 발견하였다. HD 189733b의 데이터는 IRAC 8 µm 광도 측정과 충돌하며, 이는 해당 파장 대역에서 IRS 스펙트럼에 문제가 있을 수 있음을 시사하지만, 모델링 결과는 수증기 흡수를 지지하며, 두 행성의 스펙트럼은 수증기 농도 조정이나 구름 투과도를 고려하지 않은 1D 및 3D 대기 모델과 잘 일치한다.

ABSTRACT

Published mid infrared spectra of transiting planets HD 209458b and HD 189733b, obtained during secondary eclipse by the InfraRed Spectrograph (IRS) aboard the Spitzer Space Telescope, are predominantly featureless. In particular these flux ratio spectra do not exhibit an expected feature arising from water vapor absorption short-ward of 10 µm. Here we suggest that the spectral data for HD 189733b are inconsistent with 8µm-photometry obtained with Spitzer’s InfraRed Array Camera (IRAC), perhaps an indication of problems with the IRS spectra from 7.5-10µm. The IRAC data, along with previously published secondary eclipse photometry for HD 189733b, are in excellent agreement with a one-dimensional model of HD 189733b that clearly predicts water absorption. We are not able to draw firm conclusions regarding the IRS data for HD 209458b, but spectra predicted by 1D and 3D atmospheres models fit the data adequately, without adjustment of the water abundance or reliance on cloud opacity. We argue that the generally good agreement between model spectra and IRS spectra of brown dwarfs with atmospheric temperatures similar to these highly irradiated planets support the veracity of the modeling procedure.

연구 동기 및 목표

• Spitzer IRS의 중간 적외선 스펙트럼을 이용해 고조도 외계 행성 HD 209458b와 HD 189733b 대기 중 수증기 존재 여부를 평가하기 위해.
• HD 189733b의 IRS 스펙트럼과 IRAC 8 µm 광도 측정 간의 괴리, 특히 7.5–10 µm 범위에서의 원인을 조사하기 위해.
• 관측된 스펙트럼이 수증기 흡수 피크를 예측하는 대기 모델과 일치하는지 평가하기 위해.
• 관측 데이터를 적합하기 위해 구름 투과도나 조정된 수증기 농도가 필요한지 여부를 판단하기 위해, 또는 이러한 조정 없이도 모델이 데이터와 잘 맞는지 여부를 평가하기 위해.
• 유사한 온도를 가진 분광형이 유사한 연탄별의 IRS 관측과 비교하여 대기 모델링 기법의 신뢰성을 검증하기 위해.

제안 방법

• Spitzer 우주 망원경의 적외선 분광기(Infrared Spectrograph, IRS)를 이용해 HD 209458b와 HD 189733b의 제2일식 기간 동안 중간 적외선 복사율 비율 스펙트럼을 확보하기 위해.
• IRS 스펙트럼을 Spitzer의 적외선 어레이 카메라(InfraRed Array Camera, IRAC)에서의 8 µm 광도 측정과 비교하여 7.5–10 µm 범위에서의 불일치 여부를 확인하기 위해.
• 1차원 대기 모델을 HD 189733b에 적용하여 복사-대류 평형과 분자 투과도를 포함하여 수증기 흡수 피크를 예측하기 위해.
• 1D 및 3D 대기 모델을 사용하여 스펙트럼 에너지 분포를 시뮬레이션하고 관측된 IRS 스펙트럼과 직접 비교하기 위해.
• 유사한 온도를 가진 연탄별의 모델 스펙트럼을 IRS 관측과 비교하여 모델링 방법론의 타당성을 검증하기 위해.
• 관측된 스펙트럼이 수증기 농도 조정이나 구름 투과도 도입 없이도 모델 예측과 일치하는지 평가하여 스펙트럼 일관성 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Spitzer IRS의 중간 적외선 스펙트럼에서 HD 209458b와 HD 189733b는 10 µm 이하 파장에서 검출 가능한 수증기 흡수 피크를 보이는가?
• RQ2 HD 189733b의 IRS 스펙트럼과 IRAC 8 µm 광도 측정 간에 괴리가 존재하는가? 만약 존재한다면 그 원인은 무엇인가?
• RQ3 HD 189733b의 1차원 대기 모델이 구름 투과도나 조정된 수증기 농도 없이도 관측된 광도 및 스펙트럼 데이터를 재현할 수 있는가?
• RQ4 이 행성들과 유사한 온도를 가진 연탄별의 모델 스펙트럼이 IRS 관측과 얼마나 잘 일치하는가? 이는 모델링 접근법의 타당성을 뒷받침하는가?
• RQ5 HD 209458b의 관측된 IRS 스펙트럼은 수증기 흡수를 예측하는 대기 모델과 일치하는가, 아니면 다른 설명이 필요한가?

주요 결과

• HD 209458b와 HD 189733b의 IRS 스펙트럼은 주로 특징이 없으며, 10 µm 이하 파장에서 검출 가능한 수증기 흡수 피크가 없다.
• HD 189733b의 IRS 스펙트럼은 7.5–10 µm 범위에서 IRAC 8 µm 광도 측정과 일치하지 않으며, 이는 해당 파장 대역에서 IRS 데이터에 문제가 있을 수 있음을 시사한다.
• IRAC 광도 측정과 이전의 제2일식 광도 측정은 강한 수증기 흡수 피크를 예측하는 1차원 대기 모델과 뛰어난 일치를 보인다.
• 1D 및 3D 대기 모델을 사용해 생성한 두 행성의 모델 스펙트럼은 수증기 농도 조정이나 구름 투과도 포함 없이도 IRS 데이터를 적절히 적합한다.
• 유사한 온도를 가진 연탄별의 모델 스펙트럼과 IRS 관측 간 양호한 일치는 사용된 대기 모델링 절차의 타당성을 지지한다.
• IRS 데이터에 명확한 수증기 피크가 없는 것은 수증기 존재를 배제하지 않으며, 표준 가정 하에 모델 예측이 데이터와 잘 맞기 때문이다.