[논문 리뷰] Into the Storm: Diving into the winds of the ultra hot Jupiter WASP-76 b with HARPS and ESPRESSO

J. V. Seidel, D. Ehrenreich외 27명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 20.

Stellar, planetary, and galactic studies인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 초고온 목성형 외계행성 WASP-76b의 대기에서 나트륨 이중선을 분석하기 위해 HARPS와 ESPRESSO의 고해상도 스펙트로스코피를 사용하며, 행성의 자전을 고려한 업데이트된 MERC 코드를 적용하여 바람 패턴을 모델링한다. 이는 상부 대기에서의 수직 바람 속도 22.7 km/s와 하부 대기에서의 수평 바람 속도 5.5 km/s를 규명하였으며, 10^{-3} bar에서 바람 패턴의 전이가 발생함을 보여주어 중간 대기층에서의 수직 역학에 대한 관측적 증거를 제공한다.

ABSTRACT

Despite swift progress in the characterisation of exoplanet atmospheres in composition and structure, the study of atmospheric dynamics has not progressed at the same speed. While theoretical models have been developed to describe the lower layers of the atmosphere and, disconnected, the exosphere, little is known about the intermediate layers up to the thermosphere. We aim to provide a clearer picture of atmospheric dynamics for the class of ultra hot Jupiters, highly-irradiated gas giants, on the example of WASP-76~b. We analysed two datasets jointly, obtained with the HARPS and ESPRESSO spectrographs, to interpret the resolved planetary sodium doublet. We then applied an updated version of the MERC code, with added planetary rotation, also provides the possibility to model the latitude dependence of the wind patterns. We retrieve the highest Bayesian evidence for an isothermal atmosphere, interpreted as a mean temperature of $3389\pm227$ K, a uniform day-to-night side wind of $5.5^{+1.4}_{-2.0}\,$ km/s in the lower atmosphere with a vertical wind in the upper atmosphere of $22.7^{+4.9}_{-4.1}\,$ km/s, switching atmospheric wind patterns at $10^{-3}$ bar above the reference surface pressure ($10$ bar). Our results for WASP-76~b are compatible with previous studies of the lower atmospheric dynamics of WASP-76~b and other ultra hot Jupiters. They highlight the need for vertical winds in the intermediate atmosphere above the layers probed by global circulation model studies to explain the line broadening of the sodium doublet in this planet. This work demonstrates the capability of exploiting the resolved spectral line shapes to observationally constrain possible wind patterns in exoplanet atmospheres, an invaluable input to more sophisticated 3D atmospheric models in the future.

연구 동기 및 목표

• 초고온 목성형 외계행성의 대기역학, 특히 대류권과 열권 사이의 중간 층에서의 이해를 향상시키기 위해.
• 극도로 복사되는 외계행성의 상부 대기에서 바람 패턴에 대한 관측적 제약 조건이 부족한 문제를 해결하기 위해.
• 업데이트된 스펙트럼 분석 기법을 사용하여 행성 자전과 대기 바람의 병합 효과를 모델링하기 위해.
• 해상도가 높은 스펙트럼 선형형태가 외계행성 대기에서의 수직 및 수평 바람 패턴을 제약 조건으로 제공할 수 있는지 테스트하기 위해.

제안 방법

• 행성의 나트륨 이중선을 대상으로 한 HARPS 및 ESPRESSO 기구의 고해상도 스펙트로스코픽 데이터를 통합 분석하기 위해.
• 행성 자전과 위도에 따라 달라지는 바람 패턴을 포함한 업데이트된 MERC 코드를 적용하기 위해.
• 온도 및 바람 속도와 같은 대기 파라미터를 추정하기 위해 베이지안 추론을 사용하기 위해.
• 나트륨 흡수 특징에서 바람에 의한 도플러 시프트와 넓이 증가를 유도하는 선형형태의 모델링을 위해.
• 관측된 선형형태의 넓이 증가를 설명하기 위해 상부 대기에서의 수직 바람 성분을 통합하기 위해.
• 모델 적합도 평가를 위해 베이지안 증거를 사용하여 가장 타당한 대기 구조를 선택하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 WASP-76b 대기, 특히 중간 층에서의 수평 및 수직 바람 패턴은 무엇인가?
• RQ2 행성 자전과 위도에 따라 달라지는 바람은 관측된 나트륨 선형형태에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 해상도가 높은 스펙트럼 선형형태가 글로벌 대기순환 모델이 예측하는 것 이상의 대기역학적 제약 조건을 제공할 수 있는가?
• RQ4 WASP-76b 대기의 온도 구조는 무엇이며, 바람 패턴과 어떤 관계가 있는가?
• RQ5 바람 패턴이 수평적 지배에서 수직적 지배로 전이되는 압력 수준은 무엇인가?

주요 결과

• WASP-76b 대기는 평균 온도 3389 ± 227 K인等온 모델에 가장 잘 맞는다.
• 하부 대기에서 일관된 수평 바람 5.5+1.4−2.0 km/s가 검출되었으며, 낮면에서 밤면으로의 유동과 일치한다.
• 관측된 선형형태의 넓이 증가를 설명하기 위해 상부 대기에서 강력한 수직 바람 22.7+4.9−4.1 km/s가 필요하다.
• 수평 바람 지배에서 수직 바람 지배로의 전이가 10^{-3} bar 압력 수준에서 발생하며, 기준 표면 압력 10 bar보다 높은 곳이다.
• 수직 바람을 포함한 모델이 가장 높은 베이지안 증거를 보였으며, 이는 데이터를 설명하기 위해 수직 역학이 필수적임을 시사한다.
• 결과는 초고온 목성형 외계행성의 3차원 대기모델에 수직 역학을 포함시켜야 한다는 필요성을 뒷받침한다.