[논문 리뷰] Hot Exoplanet Atmospheres Resolved with Transit Spectroscopy (HEARTS) - II. A broadened sodium feature on the ultra-hot giant WASP-76b

J. V. Seidel, D. Ehrenreich외 19명|UvA-DARE (University of Amsterdam)|2019. 01. 30.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 50인용 수 35

한 줄 요약

HEARTS 설문 조사는 HARPS를 통한 트랜짓 분광학으로 WASP-76b에서 중성 나트륨을 탐지하고, 상부 대기 역학(예: 초회전)을 추적할 수 있는 Na I 선이 상당히 넓게 확장되었음을 시사한다. 신호는 세 차례의 트랜짓에서 재현되며 높은 통계적 유의성을 가진다.

ABSTRACT

High-resolution optical spectroscopy is a powerful tool to characterise exoplanetary atmospheres from the ground. The sodium D lines, with their large cross sections, are especially suited to study the upper layers of atmospheres in this context. We report on the results from HEARTS, a spectroscopic survey of exoplanet atmospheres, performing a comparative study of hot gas giants to determine the effects of stellar irradiation. In this second installation of the series, we highlight the detection of neutral sodium on the ultra-hot giant WASP-76b. We observed three transits of the planet using the HARPS high-resolution spectrograph at the ESO 3.6m telescope and collected 175 spectra of WASP-76. We repeatedly detect the absorption signature of neutral sodium in the planet atmosphere ($0.371\pm0.034\%$; $10.75 σ$ in a $0.75$ Å passband). The sodium lines have a Gaussian profile with full width at half maximum (FWHM) of $27.6\pm2.8$ km s$^{-1}$. This is significantly broader than the line spread function of HARPS ($2.7$ km s$^{-1}$). We surmise that the observed broadening could trace the super-rotation in the upper atmosphere of this ultra-hot gas giant.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 전이 분광학을 통해 뜨거운 가스 거대행성의 상부 대기 특성을 연구하고, 나트륨을 핵심 진단물질로 삼는 것을 목표로 한다

제안 방법

• HARPS로 WASP-76b의 세 차례 트랜짓 관측을 ESO 3.6m 망원경에서 수행
• Na I D 선(5890-5896 Å 영역)을 포함하는 HARPS 스펙트럴 오더 56에 집중
• 대기의 선을 제거하기 위해 molecfit으로 대류권 보정 적용
• 전이 시점의 파라미터와 기준선을 제약하기 위해 동시에 EulerCam 광도 측정 수행
• 행성의 정지 프레임에서 전이 중·비전이 스펙트럼을 비교하여 전이 스펙트럼 구성
• Na I 선 코어를 Gaussian 프로파일로 피팅하여 선 깊이와 FWHM 도출
• 밤 간 반복성을 평가하고 CLV/RM 효과 가능성 평가
• 전이 동안 행성의 반경 방향 이동을 고려하여 전이 스펙트럼 계산

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전이 중 WASP-76b 대기에서 중성 나트륨이 검출되는가?
• RQ2 WASP-76b의 Na I 이중선의 선 프로파일(깊이와 폭)은 무엇이며 그것이 대기 역학에 대해 무엇을 시사하는가?
• RQ3 나트륨 신호가 여러 차례 트랜짓에서 반복되는가, 관측 시스템오차가 이를 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 중심-편향 변이(CL V)나 로시터-맥랄루한 효과가 이 시스템의 전이 스펙트럼에 유의하게 편향을 주는가?
• RQ5 탐지된 나트륨 흡수에 해당하는 대기 높이는 얼마인가?

주요 결과

• 중성 나트륨이 WASP-76b의 대기에서 반복적으로 검출되며 Na I D2 및 D1 선의 흡수 깊이가 각각 0.75 Å 패스밴드에서 0.373%와 0.508%이다(0.75 Å 패스밴드에서 각각 0.371±0.034% 및 0.508±0.083%).
• Na I 선은 FWHM이 27.6±2.8 km/s인 가우시안 프로파일을 가지며 HARPS의 instrumental LSF인 2.7 km/s보다 현저히 넓다.
• 0.75 Å만큼의 아주 좁은 패스밴드에서 중심 코어를 갖는 나트륨 신호가 강하게 관측되며, 2×0.75 Å 중심 패스밴드에서 10.75σ의 검출 수준이다.
• 전이 3박에 걸쳐 전이 신호가 재현되었으며 2×0.75 Å 대역에서 같은 밤 깊이는 1σ 이내로 일치한다.
• 가장 강한 코어 흡수에 해당하는 대기 높이를 평가: 28,800±2,600 km (0.19±0.02 Rp).
• 폭 확장은 WASP-76b의 상부 대기의 초회전을 추적하는 것으로 제시된다.