[논문 리뷰] First direct detection of an exoplanet by optical interferometry; Astrometry and K-band spectroscopy of HR8799 e

S. Lacour, M. Nowak외 86명|Kölner Universitäts PublikationsServer (Universität zu Köln)|2019. 03. 28.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 4인용 수 44

한 줄 요약

이 연구는 GRAVITY를 이용한 광학 간섭계로 직접 외 행성 탐지를 입증하고 HR8799 e에 대한 고정밀 천구측향 및 K-band 스펙트럼을 제공하며 궤도와 대기 특성을 제약한다.

ABSTRACT

To date, infrared interferometry at best achieved contrast ratios of a few times $10^{-4}$ on bright targets. GRAVITY, with its dual-field mode, is now capable of high contrast observations, enabling the direct observation of exoplanets. We demonstrate the technique on HR8799, a young planetary system composed of four known giant exoplanets. We used the GRAVITY fringe tracker to lock the fringes on the central star, and integrated off-axis on the HR8799e planet situated at 390 mas from the star. Data reduction included post-processing to remove the flux leaking from the central star and to extract the coherent flux of the planet. The inferred K band spectrum of the planet has a spectral resolution of 500. We also derive the astrometric position of the planet relative to the star with a precision on the order of 100$\,μ$as. The GRAVITY astrometric measurement disfavors perfectly coplanar stable orbital solutions. A small adjustment of a few degrees to the orbital inclination of HR 8799 e can resolve the tension, implying that the orbits are close to, but not strictly coplanar. The spectrum, with a signal-to-noise ratio of $\approx 5$ per spectral channel, is compatible with a late-type L brown dwarf. Using Exo-REM synthetic spectra, we derive a temperature of $1150\pm50$\,K and a surface gravity of $10^{4.3\pm0.3}\,$cm/s$^{2}$. This corresponds to a radius of $1.17^{+0.13}_{-0.11}\,R_{ m Jup}$ and a mass of $10^{+7}_{-4}\,M_{ m Jup}$, which is an independent confirmation of mass estimates from evolutionary models. Our results demonstrate the power of interferometry for the direct detection and spectroscopic study of exoplanets at close angular separations from their stars.

연구 동기 및 목표

• 광학 간섭계 사용으로 근거리 각분해에서 직접 외계 행성의 탐지를 입증한다.
• HR8799 e를 호스트 스타에 대해 고정밀 천구측향을 얻는다.
• HR8799 e의 대기 특성과 물리적 매개변수를 제약하기 위한 K-band 스펙트럼을 얻는다.
• HR8799 시스템의 공면성에 대한 궤도 구조를 평가한다.
• 간섭계 결과를 기존 이미징 기반 측정 및 모델과 비교한다.

제안 방법

• GRAVITY fringe tracker를 사용하여 중심 별에 락을 걸고 대략 390 mas에서 HR8799 e에 오프축으로 통합한다.
• 행성과 별에 대해 코히런트 플럭스(VISDATA)를 추출한 다음 플럭스 모델 피팅으로 행성 위치를 도출한다.
• 별의 코히런트 플럭스를 행성 위치와 스타 모델을 이용한 선형 분해로 제거한다.
• 별의 코히런트 플럭스로 위상과 진폭을 정규화하여 행성의 복소 가시성 V_planet를 얻는다.
• V_planet와 가정된 행성 직경을 이용하여 F_planet = |V_planet| F_star / [2J1(pi theta_planet u)/(pi theta_planet u)].
• 파장 의존적 위상을 피팅하여 최적의 OPD를 얻고 기준선을 결합하여 불확실성을 가진 행성 위치를 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광학 간섭계로 서브-마크로초 정밀도로 직접 이미시된 행성의 위치를 결정할 수 있는가?
• RQ2 이전 측정과 결합했을 때 HR8799 e의 궤도에 대한 천구측 제약은 무엇인가?
• RQ3 GRAVITY의 K-band 스펙트럼은 HR8799 e의 대기 특성과 온도에 대해 무엇을 보여주는가?
• RQ4 HR8799 e는 다른 행성들과 함께 동면성 안정 궤도 구성과 일치하는가?
• RQ5 간섭계 측정이 대기 모델을 통해 질량과 반경 추정에 어떤 정보를 제공하는가?

주요 결과

• GRAVITY는 HR8799 e에 대해 약 100 microarcsecond 수준의 천구측 정밀도를 달성하여 시스템의 완전히 공면된 안정 궤도 해를 기각하는 경향이 있다.
• 단일 GRAVITY 천구측 측정점은 16.4+2.1-1.1 AU의 준장축, 이심률 0.15±0.08, 경사각 25°±8°를 산출한다.
• K-band 스펙트럼(R~500)은 늦은 타입의 L 붉은 왜소와 일치하는 특징을 보이며 2.29 μm의 CO 밴드 헤드는 두드러지지만 CH4는 명확히 검출되지 않았다.
• Exo-REM 피팅은 Teff = 1150±50 K 및 log g = 4.3±0.3을 주고, 반경 약 1.17+0.13-0.11 RJup 및 질량 약 10+7-4 MJup에 해당한다.
• 분광형은 L7 BD 근처로 추정되며, 저중력의 젊은 행성 해석과 자기광발광 거대 행성과의 일치를 지지한다.
• 결과는 간섭계가 서브-아크초 분해능에서 행성 탐지 및 특징화를 직접 수행할 수 있음을 보여주고 높은 분광 해상도로 가능함을 보여준다.