[論文レビュー] Climate of an Ultra hot Jupiter: Spectroscopic phase curve of WASP-18b with HST/WFC3

Jacob Arcangeli, Jean-Michel Désert+7 more|UvA-DARE (University of Amsterdam)|Apr 3, 2019

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 93被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、ハッブル宇宙望遠鏡/WFC3を用いて、超高温木星WASP-18bの初の完全軌道スペクトロスコピック位相曲線が得られ、日照面温度は2894 ± 30 K、夜間面の上限は3σで1430 Kであることが明らかになった。データは大きな日夜対照（約0.96）とわずかな4.5°東方への明るさオフセットを示しており、これは効率的な大気抵抗を要する——おそらく10ギガウスの磁場によるもの——ため、標準的な大気循環モデルに挑戦し、超高温木星における大気化学および膨張メカニズムに関する新たな制約を提供する。

ABSTRACT

We present the analysis of a full-orbit, spectroscopic phase curve of the ultra hot Jupiter WASP-18b, obtained with the Wide Field Camera 3 aboard the Hubble Space Telescope. We measure the planet's normalized day-night contrast as >0.96 in luminosity: the disk-integrated dayside emission from the planet is at 964+-25 ppm, corresponding to 2894+-30 K, and we place an upper limit on the nightside emission of <32ppm or 1430K at the 3-sigma level. We also find that the peak of the phase curve exhibits a small, but significant offset in brightness of 4.5+-0.5 degrees eastward. We compare the extracted phase curve and phase resolved spectra to 3D Global Circulation Models and find that broadly the data can be well reproduced by some of these models. We find from this comparison several constraints on the atmospheric properties of the planet. Firstly we find that we need efficient drag to explain the very inefficient day-night re-circulation observed. We demonstrate that this drag could be due to Lorentz-force drag by a magnetic field as weak as 10 Gauss. Secondly, we show that a high metallicity is not required to match the large day-night temperature contrast. In fact, the effect of metallicity on the phase curve is different from cooler gas-giant counterparts, due to the high-temperature chemistry in WASP-18b's atmosphere. Additionally, we compare the current UHJ spectroscopic phase curves, WASP-18b and WASP-103b, and show that these two planets provide a consistent picture with remarkable similarities in their measured and inferred properties. However, key differences in these properties, such as their brightness offsets and radius anomalies, suggest that UHJ could be used to separate between competing theories for the inflation of gas-giant planets.

研究の動機と目的

• WASP-18bの完全軌道スペクトロスコピック位相曲線を測定し、大気循環および熱的構造を制約すること。
• 大気抵抗および磁場が、惑星の熱的対照および明るさオフセットをどのように形作っているかを特定すること。
• 観測された位相曲線を3次元グローバル循環モデル（GCMs）と比較し、金属量および高温化学が大気的性質に与える影響を評価すること。
• WASP-18bの性質が、特にオーミック熱力学による理論的膨張に与える含意を評価すること。
• WASP-103bと比較して、循環および半径の膨張に関する差異を特定し、競合する大気理論を区別すること。

提案手法

• ハッブル宇宙望遠鏡のワイドフィールドカメラ3（WFC3）を用いて、WASP-18bの完全軌道スペクトロスコピック位相曲線を取得した。
• 位相に依存するスペクトルを抽出し、軌道位相にわたる惑星の日照面および夜間面の明るさを導出した。
• 有効な日照面温度（2894 ± 30 K）を測定し、夜間面放射の3σ上限（≤1430 K）を設定した。
• 日夜輝度対照（約0.96）およびピーク明るさの位相オフセット（天体中心点から東に4.5 ± 0.5°）を定量化した。
• 観測された位相曲線およびスペクトルを、一連の3次元グローバル循環モデル（GCMs）と比較し、大気力学および組成を推定した。
• 金属量、放射移動、および高温化学（例：TiO、H2O解離）がモデル適合およびモデル選択に与える影響を検討した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 WASP-18bの日照面と夜間面の間の熱的対照は何か？ これは大気エネルギー再分配について何を明らかにするか？
• RQ2 なぜWASP-18bはわずかだが有意な4.5°東方への明るさオフセットを示すのか？ その物理的メカニズムは何か？
• RQ3 観測された日夜対照を再現するにはどのような大気抵抗機構が必要か？ 磁場がその役割を果たす可能性はあるか？
• RQ4 金属量はWASP-18bの位相曲線にどのように影響するか？ 高温化学のため、冷却ガス巨星とは異なる挙動を示すか？
• RQ5 WASP-18bの大気的性質はWASP-103bと比べてどう異なるか？ その差異は、惑星の膨張メカニズムを理解する上で何を示唆するか？

主な発見

• WASP-18bの日照面有効温度は2894 ± 30 Kであり、日間面と夜間面の輝度対照は約0.96である。
• 夜間面放射は3σ信頼水準で≤1430 Kに制限されており、暗い側面からの熱放射が最小限であることが示唆される。
• 天体中心点から東に4.5 ± 0.5度の明るさオフセットが検出され、熱的分布に経度方向の非対称性があることを示唆している。
• 観測された日夜対照は、追加の抵抗源がなければGCMでは再現できないため、効率的な大気抵抗が必要であることを示している。
• わずか10ギガウスの磁場ですら、観測された循環の非効率性および明るさオフセットを説明するのに十分なローレンツ力抵抗を生成できる。
• 金属量の変動だけでは観測された位相曲線を再現できない。代わりに、高温化学（例：TiOおよびH2O解離）が放射および熱的応答を顕著に変化させ、冷却ガス巨星とは異なる挙動を示す。