[논문 리뷰] The GTC exoplanet transit spectroscopy survey I: OSIRIS transmission spectroscopy of the short period planet WASP-43b

F. Murgas, Ε. Πάλλη외 4명|2014. 01. 15.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 47인용 수 52

한 줄 요약

이 연구는 GTC/OSIRIS 장치를 사용한 장선 스펙트로스코피를 통해 초단주기 외계행성 WASP-43b가 주성우를 가로질러 지나가는 것을 분석하여, 파장에 따라 변하는 전이 깊이를 측정함으로써 대기 조성을 조사한다. 연구는 행성 대기에서 나트륨 흡수의 잠재적 2.9σ 검출을 보고하며, 궤도 주기를 정밀화하고 궤도 감쇠 가능성을 제기한다.

ABSTRACT

We used GTC instrument OSIRIS to obtain long-slit spectra in the optical range (520-1040 nm) of the planetary host star WASP-43 (and a reference star) during a full primary transit event and four partial transit observations. We integrated the stellar flux of both stars in different wavelength regions producing several light curves. We fitted transit models to these curves to measure the star-to-planet radius ratio, Rp/Rs, across wavelength among other physical parameters. We measure a Rp/Rs in the white light curve of 0.15988^{+0.00133}_{-0.00145}. We present a tentative detection of an excess in the planet-to-star radius ratio around the Na I doublet (588.9 nm, 589.5 nm) when compared to the nearby continuum at the 2.9-sigma level. We find no significant excess of the measured planet-to-star radius ratio around the K I doublet (766.5 nm, 769.9 nm) when compared to the nearby continuum. Combining our observations with previous published epochs, we refine the estimation of the orbital period. Using a linear ephemeris, we obtained a period of P=0.81347385 +/- 1.5 x 10^{-7} days. Using a quadratic ephemeris, we obtained a period of 0.81347688 +/- 8.6 x 10^{-7} days, and a change in this parameter of dP/dt = -0.15 +/- 0.06 sec/year. As previous results, this hints to the orbital decay of this planet although a timing analysis over several years needs to be made in order to confirm this.

연구 동기 및 목표

• 지상 기반 장선 스펙트로스코피를 사용하여 WASP-43b의 전이 스펙트럼에서 대기 흡수 특징을 탐지하기.
• 신규 및 기존의 전이 시기 데이터를 융합하여 WASP-43b의 궤도 주기 정밀도를 향상시키기.
• 광역(520–1040 nm) 범위에서 나트륨과 칼륨의 잠재적 대기 신호를 조사하기.
• 장기적인 전이 시기 변화를 통해 WASP-43b의 궤도 감쇠 존재 여부 평가하기.
• 장선 스펙트로스코피가 전이하는 외계행성의 다색 광도 및 전이 스펙트럼을 효과적으로 추출할 수 있는지 검증하기.

제안 방법

• GTC/OSIRIS 장치를 사용하여 다섯 차례의 전이 사건(하나의 완전 전이, 네 차례의 부분 전이) 동안 WASP-43과 기준 성별의 장선 스펙트럼을 확보하였다.
• 전이 깊이 분석을 위해 파장 영역 전체에 걸쳐 별빛 유량을 통합하여 화이트 라이트 및 협대역 광도곡선을 생성하였다.
• 마르코프 체인 몬테카를로(MCMC) 방법을 사용하여 광도곡선에 전이 모델을 피팅하여 Rₚ/Rₛ 및 관련 불확도를 유도하였다.
• 선형 및 2차 ephemeris를 사용하여 전이 시기 잔차를 모델링하고 궤도 주기 및 그 도함수(Ṗ)를 추정하였다.
• Na I 双성선(588.9, 589.5 nm) 중심의 협대역 필터와 그 주변 연속 영역에서의 행성-은하비율(Rₚ/Rₛ)을 비교하였다.
• 넓은 필터(25, 18, 10 nm)를 적용하여 파장에 따른 전이 깊이 변화를 평가하고 대기 흡수 특징을 탐색하였다.

Figure 1: Extracted R1000R grism spectrum of WASP-43 (red) and its reference star (blue). The spectra are not corrected for instrumental response or flux calibrated. Some stellar (black) and atmospheric O 2 telluric features are shown (green). The V, R, I and z sloan filters are also plotted in an a

실험 결과

연구 질문

• RQ1 WASP-43b의 광역 전이 스펙트럼에서 감지 가능한 대기 흡수 특징이 존재하는가?
• RQ2 관측된 전이 시기 데이터는 WASP-43b의 궤도 감쇠를 지지하는가?
• RQ3 통합된 전이 관측 기반으로 WASP-43b의 정밀화된 궤도 주기는 얼마인가?
• RQ4 나트륨 및 칼륨 특징은 전이 스펙트럼에 존재하는가? 그리고 모델 예측과 비교해보면 어떻게 되는가?
• RQ5 장선 스펙트로스코피는 전이하는 외계행성의 다색 광도 및 전이 스펙트럼을 효과적으로 추출할 수 있는가?

주요 결과

• Na I 이중선(588.9, 589.5 nm) 근처에서 행성-은하비율(Rₚ/Rₛ)의 잠재적 초과(Δ(Rₚ/Rₛ) = (2.18 ± 0.74) × 10⁻³)가 2.9σ로 검출되어 대기 중 나트륨 흡수의 가능성을 시사한다.
• K I 이중선(766.5, 769.9 nm) 근처에서는 유의미한 초과가 관측되지 않아 광역 범위에서 칼륨 흡수가 약하거나 존재하지 않을 가능성을 시사한다.
• 화이트 라이트 광도곡선에서 평균 Rₚ/Rₛ = 0.15988⁺⁰.⁰⁰¹³³₋₀.⁰⁰¹⁴⁵를 산출하였으며, 이는 이전 측정치와 일치한다.
• 선형 ephemeris를 사용하여 궤도 주기를 P = 0.81347385 ± 1.5 × 10⁻⁷ 일로 정밀화하였다.
• 2차 ephemeris를 사용하여 궤도 주기를 P = 0.81347688 ± 8.6 × 10⁻⁷ 일로 추정하였으며, 주기 도함수 Ṗ = -0.15 ± 0.06 초/년을 산출하여 궤도 감쇠 가능성을 시사한다.
• 600에서 720 nm 사이에서는 Rₚ/Rₛ가 증가하고, 720에서 880 nm 사이에서는 감소하는 경향이 관측되어, 행성의 밝기 온도(약 1684 K)에서 VO 및 TiO 흡수를 포함한 대기 모델과 일치한다.

Figure 2: Top panel : GTC/OSIRIS WASP-43b transit white light curve. The red lines represents the best fit determined using our MCMC analysis. Middle panel : residuals of the fit. Bottom panel : Full width at half maximum (FWHM) of WASP-43 in the spatial direction versus time, showing the seeing var