[논문 리뷰] Climate of an Ultra hot Jupiter: Spectroscopic phase curve of WASP-18b with HST/WFC3

Jacob Arcangeli, Jean-Michel Désert외 7명|UvA-DARE (University of Amsterdam)|2019. 04. 03.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 93인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 허블 우주望遠鏡/WFC3를 사용하여 초고온 목성 WASP-18b의 첫 번째 전 궤도 스펙트로스코픽 위상곡선을 제시한다. 이는 일면 온도 2894 ± 30 K와 3σ 기준 야면 상한선 1430 K를 드러내며, 일면-야면 대비는 약 0.96이며, 4.5° 동쪽으로 이격된 밝기 오프셋을 보이며, 이는 효율적인 대기 저항—가능성 있는 10G 자기장에 의한 것—이 필요함을 시사한다. 이는 기존의 대기 순환 모델에 도전하며, 초고온 목성에서 대기 화학 및 팽창 메커니즘에 대한 새로운 제약 조건을 제공한다.

ABSTRACT

We present the analysis of a full-orbit, spectroscopic phase curve of the ultra hot Jupiter WASP-18b, obtained with the Wide Field Camera 3 aboard the Hubble Space Telescope. We measure the planet's normalized day-night contrast as >0.96 in luminosity: the disk-integrated dayside emission from the planet is at 964+-25 ppm, corresponding to 2894+-30 K, and we place an upper limit on the nightside emission of <32ppm or 1430K at the 3-sigma level. We also find that the peak of the phase curve exhibits a small, but significant offset in brightness of 4.5+-0.5 degrees eastward. We compare the extracted phase curve and phase resolved spectra to 3D Global Circulation Models and find that broadly the data can be well reproduced by some of these models. We find from this comparison several constraints on the atmospheric properties of the planet. Firstly we find that we need efficient drag to explain the very inefficient day-night re-circulation observed. We demonstrate that this drag could be due to Lorentz-force drag by a magnetic field as weak as 10 Gauss. Secondly, we show that a high metallicity is not required to match the large day-night temperature contrast. In fact, the effect of metallicity on the phase curve is different from cooler gas-giant counterparts, due to the high-temperature chemistry in WASP-18b's atmosphere. Additionally, we compare the current UHJ spectroscopic phase curves, WASP-18b and WASP-103b, and show that these two planets provide a consistent picture with remarkable similarities in their measured and inferred properties. However, key differences in these properties, such as their brightness offsets and radius anomalies, suggest that UHJ could be used to separate between competing theories for the inflation of gas-giant planets.

연구 동기 및 목표

• WASP-18b의 전 궤도 스펙트로스코픽 위상곡선을 측정하여 대기 순환과 열적 구조를 제약한다.
• 대기 저항과 자기장이 행성의 열 대비와 밝기 오프셋을 어떻게 형성하는지 규명한다.
• 관측된 위상곡선을 3D 전역 순환 모델(GCMs)과 비교하여 금속성 농도와 고온 화학이 대기 특성에 미치는 영향을 평가한다.
• WASP-18b의 특성이 특히 오믹 소산에 기반한 행성 팽창 이론에 미치는 영향을 평가한다.
• WASP-18b와 WASP-103b를 비교하여 순환과 반지름 팽창의 차이를 분석함으로써 경쟁적 대기 이론을 구분한다.

제안 방법

• 허블 우주망원경의 넓은 시야 카메라 3(WFC3)를 사용하여 WASP-18b의 전 궤도 스펙트로스코픽 위상곡선을 확보한다.
• 위상 해상도 스펙트럼을 추출하고 궤도 위상 전반에 걸쳐 행성의 일면 및 야면 밝기를 유도한다.
• 효율 일면 온도(2894 ± 30 K)를 측정하고, 야면 복사에 대해 3σ 상한선(≤1430 K)을 설정한다.
• 일면-야면 복사 대비(약 0.96)와 피크 밝기의 위상 오프셋(일면점보다 동쪽 4.5 ± 0.5°)을 정량화한다.
• 관측된 위상곡선과 스펙트럼을 일련의 3D 전역 순환 모델(GCMs)과 비교하여 대기 동역학과 조성을 추론한다.
• 금속성, 복사 전달, 고온 화학(예: TiO, H2O 해리)이 모델 적합도와 모델 선택에 미치는 영향을 탐색한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 WASP-18b의 일면과 야면 간의 열 대비는 무엇이며, 이는 대기 에너지 재분배에 대해 무엇을 시사하는가?
• RQ2 왜 WASP-18b는 작지만 유의미한 4.5° 동쪽으로 이격된 밝기 오프셋을 나타내며, 이를 설명할 수 있는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 관측된 일면-야면 대비를 재현하기 위해 필요한 대기 저항 메커니즘은 무엇이며, 자기장이 그 역할을 할 수 있는가?
• RQ4 금속성은 WASP-18b의 위상곡선에 어떤 영향을 미치며, 고온 화학으로 인해 냉각된 기간대 기간과 다를 수 있는가?
• RQ5 WASP-18b의 대기 특성은 WASP-103b와 비교하여 어떻게 다를 수 있으며, 그 차이는 행성 팽창 메커니즘에 대해 무엇을 드러내는가?

주요 결과

• WASP-18b의 일면 효율 온도는 2894 ± 30 K이며, 일면과 야면 간 복사 대비는 약 0.96이다.
• 야면 복사는 3σ 신뢰 수준에서 ≤1430 K로 제약되며, 어두운 반구에서의 열 복사 재방출이 극히 미미함을 시사한다.
• 일면점보다 동쪽 4.5 ± 0.5도에 해당하는 밝기 오프셋이 관측되었으며, 이는 열 분포의 경도 비대칭성을 시사한다.
• 관측된 일면-야면 대비는 추가적인 저항원 없이 GCMs로 재현될 수 없으며, 효율적인 대기 저항이 필요함을 시사한다.
• 10G의 약한 자기장만으로도 관측된 순환 비효율성과 밝기 오프셋을 설명할 수 있는 충분한 루프력 저항을 생성할 수 있다.
• 금속성 변화만으로는 관측된 위상곡선을 재현할 수 없으며, 고온 화학(예: TiO 및 H2O 해리)이 복사 및 열 반응에 상당한 영향을 미치며, 냉각된 기간대 기간과 다름을 보인다.