[논문 리뷰] The GAPS programme at TNG XXII. The GIARPS view of the extended helium atmosphere of HD189733 b accounting for stellar activity

G. Guilluy, V. Andretta외 49명|UA Campus Repository (The University of Arizona)|2020. 05. 12.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 69인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 TNG의 GIARPS를 사용하여 HD 189733 b의 확장된 대기에서 항성 활동 효과와 진정한 헬륨 흡수를 분리하기 위해 동시에 광학(Hα) 및 근적외선(He I 1083.3 nm) 스펙트로스코피를 수행한다. 세 번의 전행에서 안정적인 헬륨 흡수(0.77 ± 0.04%)가 관측되어 실제 행성 대기 신호로 해석되며, 다른 전행에서 관측된 변동성 있는 신호는 항성 활동 영역과 필라멘트로 기인한 것으로 밝혀져, 약 1–2 g s⁻¹의 신뢰할 수 있는 질량 손실률 추정치를 도출한다.

ABSTRACT

Exoplanets orbiting very close to their host star are strongly irradiated. This can lead the upper atmospheric layers to expand and evaporate into space. The metastable helium (HeI) triplet at 1083.3nm has recently been shown to be a powerful diagnostic to probe extended and escaping exoplanetary atmosphere. We perform high-resolution transmission spectroscopy of the transiting hot Jupiter HD189733b with the GIARPS (GIANO-B + HARPS-N) observing mode of the Telescopio Nazionale Galileo, taking advantage of the simultaneous optical+near infrared spectral coverage to detect HeI in the planet's extended atmosphere and to gauge the impact of stellar magnetic activity on the planetary absorption signal. Observations were performed during five transit events of HD189733b. By comparison of the in- and out-of-transit GIANO-B observations we compute high-resolution transmission spectra, on which we perform equivalent width measurements and light-curves analyses to gauge the excess in-transit absorption in the HeI triplet. We detect an absorption signal during all five transits. The mean in-transit absorption depth amounts to 0.75+/-0.03%. We detect night-to-night variations in the HeI absorption signal likely due to the transit events occurring in presence of stellar surface inhomogeneities. We evaluate the impact of stellar-activity pseudo-signals on the true planetary absorption using a comparative analysis of the HeI and the H$α$ lines. We interpret the time-series of the HeI absorption lines in the three nights not affected by stellar contamination -exhibiting a mean in-transit absorption depth of 0.77+/-0.04%- using a 3-d atmospheric code. Our simulations suggest that the helium layers only fill part of the Roche lobe. Observations can be explained with a thermosphere heated to $\sim$12000 K, expanding up to $\sim$1.2 planetary radii, and losing $\sim$1 g/s of metastable helium.

연구 동기 및 목표

• HD 189733 b의 전이 스펙트로스코피에서 항성 활동에 의해 유도된 가짜 신호와 진정한 행성 헬륨 흡수 신호를 분리하기 위해.
• 플라즈마 및 필라멘트와 같은 항성 표면 비균일성의 영향을 근적외선 He I 삼중선 측정치에 평가하기 위해.
• 관측된 헬륨 흡수 변화가 항성 활동 때문인지 아니면 대기 내부 변화 때문인지 판단하기 위해.
• 고해상도 전이 스펙트로스코피에서 행성 대기 신호와 항성 오염을 분리하는 방법론을 수립하기 위해.

제안 방법

• HD 189733 b의 다수 전행 동안 He I 1083.3 nm 삼중선과 Hα 선의 동시에 고해상도 스펙트로스코피를 수행하였다.
• 항성 활동 특징과 관련된 상관 또는 반대 상관 관계를 식별하기 위해 He I 및 Hα 선형형을 비교 분석하였다.
• 3D 수치 시뮬레이션을 사용하여 열권을 모델링하고, 관측된 흡수 깊이에서 질량 손실률을 추론하기 위해 EVE 코드를 활용하였다.
• 특정 전행의 신호—예를 들어, 방출 피크 또는 반대 상관 행동—을 항성 필라멘트 또는 활동 영역의 은폐와 연관지어 식별하였다.
• 표면 비균일성에 의해 유도된 행성 대기 흡수와 항성 가짜 신호를 구분하기 위한 통계적 프레임워크를 적용하였다.
• 관측된 일시적 신호의 해석을 검증하기 위해 기록된 자료와 동시 관측된 항성 활동 진단 자료를 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 항성 활동 영역과 표면 비균일성이 외계행성 전이 스펙트럼에서 헬륨 흡수 신호를 얼마나 유사하게 또는 왜곡시키는가?
• RQ2 전행 중 Hα 및 He I 1083.3 nm 선형형의 변화가 항성 표면 특징과 어떻게 상관되는가?
• RQ3 관측된 He I 흡수 신호는 진정한 대기 탈출 때문인가, 아니면 항성 활동에 의해 오염된 것인가?
• RQ4 항성 활동 영향을 보정한 후 HD 189733 b의 진정한 질량 손실률은 얼마인가?
• RQ5 항성 필라멘트와 플라즈마가 전이 외계행성의 근적외선 헬륨 삼중선 흡수 해석에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 세 번의 전행(2, 4, 5)에서 안정적인 헬륨 흡수(0.77 ± 0.04%)가 관측되어 항성 활동에 영향을 받지 않는 신뢰할 수 있는 행성 대기 신호로 해석된다.
• 한 번의 전행(3)에서는 He I와 Hα 신호 사이에 반대 상관 관계가 관측되었으며, 이는 행성이 완전히 덮이지 않은 항성 활동 영역(플라즈마)을 은폐했기 때문으로 설명된다.
• 전행 1에서 He I와 Hα 양쪽에 일시적인 방출 피크가 관측되었으며, 이는 대기 흡수 때문이 아니라 항성 필라멘트의 은폐 때문임이 밝혀졌다.
• 관측된 헬륨 흡수 신호는 약 12,000 K로 가열된 밀도 높은 열권이 로치 로브 내에서 최대 1.2개의 행성 반지름까지 확장된 것으로 가장 잘 설명된다.
• 안정적인 흡수 신호에서 유도된 질량 손실률은 약 1–2 g s⁻¹이며, 3D EVE 시뮬레이션과 이전 연구 결과와 일치한다.
• 항성 바람과 XUV 변동성로는 관측된 헬륨 신호 변화를 설명할 수 없으며, 전행 중 Hα에서의 방출은 바람에 의해 유도된 흡수와 예측과 반대된다.