[논문 리뷰] Transit spectrophotometry of the exoplanet HD189733b. I. Searching for water but finding haze with HST NICMOS

David K. Sing, Jean-Michel Désert외 6명|arXiv (Cornell University)|2009. 07. 29.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 44인용 수 112

한 줄 요약

이 연구는 허블 우주望遠鏡 NICMOS의 좁대역 광도 측정을 통해 HD189733b의 전행을 이용해 가까운 적외선 대기 중의 수증기 존재 여부를 탐색한다. H2O 흡수를 목표로 하였지만, 5σ 신뢰수준에서 유의미한 H2O 특징이 발견되지 않아, 0.5에서 2 μm 사이에서 1μm 미만의 안개 입자에 의한 레일리 산산화가 전달 스펙트럼을 지배하고 있으며, 이로 인해 이러한 파장에서 분자 특징이 가려지고 있음을 시사한다.

ABSTRACT

We present Hubble Space Telescope near-infrared transit photometry of the nearby hot-Jupiter HD189733b. The observations were taken with the NICMOS instrument during five transits, with three transits executed with a narrowband filter at 1.87 microns and two performed with a narrowband filter at 1.66 microns. Our observing strategy using narrowband filters is insensitive to the usual HST intra-orbit and orbit-to-orbit measurement of systematic errors, allowing us to accurately and robustly measure the near-IR wavelength dependance of the planetary radius. Our measurements fail to reproduce the Swain et al. absorption signature of atmospheric water below 2 microns at a 5-sigma confidence level. We measure a planet-to-star radius contrast of 0.15498+/-0.00035 at 1.66 microns and a contrast of 0.15517+/-0.00019 at 1.87 microns. Both of our near-IR planetary radii values are in excellent agreement with the levels expected from Rayleigh scattering by sub-micron haze particles, observed at optical wavelengths, indicating that upper-atmospheric haze still dominates the near-IR transmission spectra over the absorption from gaseous molecular species at least below 2 microns.

연구 동기 및 목표

• 허블 우주望遠鏡 NICMOS 좁대역 광도 측정을 이용해 HD189733b의 가까운 적외선 별반경을 정밀하게 측정한다.
• Swain 등 (2008)이 이전에 보고한 바와 같이 2 μm 이하에서 대기 수증기 흡수 특징의 존재를 검증한다.
• 상부 대기의 안개 또는 기체 분자 종이 가까운 적외선 전달 스펙트럼을 지배하는지 결정한다.
• 좁대역 필터를 사용하여 체계적 오차가 존재하는 상황에서의 가까운 적외선 전행 광도 측정의 신뢰성을 평가한다.
• 향후 제임스 웹 우주望遠鏡가 행성 대기를 관측할 때의 중요한 기준점이 되는 데이터를 제공한다.

제안 방법

• 체계적 오차를 최소화하기 위해 1.66 μm와 1.87 μm에서 두 개의 좁대역 필터를 사용하여 허블 우주望遠鏡 NICMOS 전행을 다섯 차례 수행하였다.
• 궤도 내 및 궤도 간 체계적 오차가 일반적으로 발생하는 스펙트럼 모드에서 흔들리지 않는 광도 전략을 적용하였다.
• 각 파장에서 행성 대비 항성 반경 대비 대비를 높은 정밀도로 측정하여 오차 범위를 ±0.00035 및 ±0.00019로 확보하였다.
• 측정된 반경을 1μm 이하의 안개 입자에 의한 레일리 산산화 예측값과 비교하였으며, H2O 흡수를 포함한 모델과도 비교하였다.
• 반경 대비의 파장 의존성을 이용하여 입자 크기 분포 및 투과도 기여 요소를 추론하였다.
• 이전 Swain 등 (2008)의 스펙트럼 데이터와의 일관성을 평가하였으며, 극단적인 스펙트럼 모서리를 제외하여 안개 모델과의 호환성을 시험하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HD189733b의 가까운 적외선 전달 스펙트럼은 2 μm 이하에서 대기 수증기 흡수 특징을 감지할 수 있는가?
• RQ2 1μm 이하의 안개 입자는 HD189733b의 가까운 적외선 전달 스펙트럼을 어느 정도 지배하는가?
• RQ3 Swain 등 (2008)의 스펙트럼에서 보고된 이전 H2O 흡수 특징은 체계적 오차 오염에 대해 얼마나 견고한가?
• RQ4 행성 반경의 파장 의존성에 기반하여 상부 대기 안개의 추정 입자 크기 분포는 무엇인가?
• RQ5 좁대역 광도 측정 결과는 허블 우주望遠鏡 및 스피처의 밴드폭 스펙트럼 측정과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 1.66 μm에서의 행성 대비 항성 반경 대비는 0.15498 ± 0.00035이며, 1.87 μm에서는 0.15517 ± 0.00019로, 유의미한 파장 의존성이 없음을 보였다.
• 관측된 반경은 H2O 흡수보다는 1μm 이하의 안개 입자에 의한 레일리 산산화 예측값과 뛰어난 일치를 보였다.
• 이 연구는 2 μm 이하에서 H2O 흡수 특징의 존재를 5σ 신뢰수준에서 배제하였으며, Swain 등 (2008)의 결과에 도전하였다.
• 자료는 Swain 등 (2008)에서 관측된 스펙트럼 특징이 잔류 체계적 오차, 특히 스펙트럼 모서리에서의 오차에 기인한 잡음일 가능성이 있음을 시사한다.
• 안개 분포에서의 최대 입자 크기는 0.009–0.086 μm로 제한되었으며, 이는 MgSiO3 응축체와 일치한다.
• 2에서 3 μm 사이에서 안개 지배에서 기체 지배로의 전이가 발생하며, 스피처 IRAC 광도 측정은 3 μm 이상에서 더 큰 반경을 보여주었다.