[논문 리뷰] Exoplanetary atmospheric sodium revealed by the orbital motion. Narrow-band transmission spectroscopy of HD 189733b with UVES

S. Khalafinejad, C. von Essen외 9명|ASEP|2016. 10. 05.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 61인용 수 29

한 줄 요약

이 연구는 HD 189733b의 전행 기간 동안 고해상도 UVES 분광법을 사용하여 대기 중 나트륨 흡수를 측정하며, 항성의 가장자리 어두움, 활동성 및 궤도적 라디얼 속도에 의해 유도되는 '두드러진 부분'을 보정한다. 나트륨의 등가 폭은 0.0023 ± 0.0010 Å로 확인되었으며, 초과 흡수 깊이는 각각 1 Å, 1.5 Å, 3 Å에서 0.72 ± 0.25%, 0.34 ± 0.11%, 0.20 ± 0.06%이며, 이는 약 10⁴ 개체수/cm³ 수준의 나트륨 수밀도를 정밀하게 추정하는 데 기여한다.

ABSTRACT

During primary transits, the spectral signatures of an exoplanet atmosphere can be measured using transmission spectroscopy. The goal of this work is to accurately measure the atomspheric sodium absorption light curve in HD189733b, correcting for the effects of stellar differential limb-darkening, stellar activity and a "bump" caused by the changing radial velocity of the exoplanet. In fact, due to the high cadence and quality of our data, it is the first time that the last feature can be detected even by visual inspection. We use 244 high-resolution optical spectra taken by the UVES instrument mounted at the VLT. Our observations cover a full transit of HD 189733b, with a cadence of 45 seconds. To probe the transmission spectrum of sodium we produce excess light- curves integrating the stellar flux in passbands of 1 Å, 1.5 Å, and 3 Åinside the core of each sodium D-line. We model the effects of external sources on the excess light-curves, which correspond to an observed stellar flare beginning close to mid-transit time and the wavelength dependent limb-darkening effects. In addition, by characterizing the effect of the changing radial velocity and Doppler shifts of the planetary sodium lines inside the stellar sodium lines, we estimate the depth and width of the exoplanetary sodium feature. We estimate the shape of the planetary sodium line by a Gaussian profile, with an equivalent width of 0.0023 \pm 0.0010 Å, thereby confirming the presence of sodium in the atmosphere of HD189733b with excess absorption levels of 0.72 \pm 0.25%, 0.34 \pm 0.11%, and 0.20 \pm 0.06% for the integration bands of 1 Å, 1.5 Å, and 3 Å, respectively. From these, we produce a first order estimate of the number density of sodium in the exoplanet atmosphere.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 투과 분광법을 사용하여 HD 189733b 대기 중 나트륨 흡수를 정확히 측정하는 것.
• 항성의 가장자리 어두움, 활동성 및 궤도적 라디얼 속도 효과로 인한 체계적 편향을 보정하는 것.
• 행성의 변화하는 속도로 인해 전행 중 초과 밝기 곡선에 나타나는 라디얼 속도 유도 '두드러진 부분'을 분리하고 모델링하는 것.
• 대기 모델링을 위해 행성의 나트륨 특징의 정확한 등가 폭과 깊이를 유도하는 것.
• 스펙트럼 측정 기반으로 외계행성의 상부 대기 중 나트륨 원자 수밀도를 추정하는 것.

제안 방법

• HD 189733b의 전행 기간 동안 VLT의 UVES를 사용하여 45초 간격으로 총 244개의 고해상도 광학 스펙트럼을 확보하였다.
• 나트륨 D선 핵의 좁은 밴드(1 Å, 1.5 Å, 3 Å) 내에서 항성 복사를 통합하여 초과 밝기 곡선을 제작하였다.
• 항성의 비균일한 가장자리 어두움과 중간 전행 시 플레어의 영향을 관측된 밝기 곡선에 모델링하였다.
• 행성의 궤도적 라디얼 속도로 인해 항성 흡수 프로파일 내에서 행성의 나트륨 선이 이동함에 따라 발생하는 도플러 시프트를 고려했다.
• 행성의 나트륨 선에 가우시안 프로파일을 피팅하여 깊이, 너비 및 등가 폭을 추정하였다.
• 유도된 등가 폭을 사용하여 외계행성 대기 중 나트륨 수밀도를 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 항성의 가장자리 어두움과 활동성을 보정한 후, HD 189733b 대기 중 나트륨 흡수의 진정한 깊이는 무엇인가?
• RQ2 행성의 궤도 운동이 전행 중 초과 밝기 곡선에 측정 가능한 '두드러진 부분'을 유도하는 방식은 무엇인가?
• RQ3 행성의 나트륨 선의 라디얼 속도 이동이 관측된 투과 스펙트럼에 미치는 영향은 어느 정도인가?
• RQ4 대기적 및 기기적 과제가 존재하더라도 고해상도 지상 기반 분광법이 외계행성 대기 중 나트륨을 신뢰성 있게 탐지하고 정량화할 수 있는가?
• RQ5 관측된 흡수 기반으로 HD 189733b 상부 대기 중 나트륨 원자 수밀도는 추정되는가?

주요 결과

• 행성의 나트륨 선의 등가 폭은 0.0023 ± 0.0010 Å로 측정되어 대기 중 나트륨 존재를 확인하였다.
• 초과 흡수 깊이는 1 Å 통합 밴드에서 0.72 ± 0.25%, 1.5 Å에서 0.34 ± 0.11%, 3 Å에서 0.20 ± 0.06%이며, 이는 이전 연구와 일치한다.
• 중간 전행 근처에 나타나는 뚜렷한 '두드러진 부분'은 행성이 항성에 대해 변화하는 라디얼 속도를 가지기 때문으로 기인된다.
• 라디얼 속도 효과로 인해 행성의 나트륨 선이 항성 흡수 프로파일을 가로질러 이동하며, 이를 고려하여 모델링해야 하는 측정 가능한 특징을 만들어낸다.
• 유도된 나트륨 수밀도는 약 10⁴ 개체수/cm³이며, Heng 등(2015)의 이론 모델과 양호한 일치를 보인다.
• 항성 spots와 회전은 낮은 영향을 미치므로 모델에 포함되지 않았지만, 향후 고주기, 동시 다밴드 관측을 위한 고려 대상으로 남아 있다.