[논문 리뷰] Hot Exoplanet Atmospheres Resolved with Transit Spectroscopy (HEARTS) I. Detection of hot neutral sodium at high altitudes on WASP-49b

A. Wyttenbach, C. Lovis외 14명|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 01.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 67인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 ESO 3.6m 망원경에 장착된 HARPS 분광계를 사용하여 외계행성 WASP-49b의 상층 대기에서 뜨거운 중성 나트륨의 최초 고해상도 분광 검출을 보고한다. 관측된 나트륨 흡수선은 1.8–2.0%의 대비를 보이며, 고도 약 45,000 km에서 온도 약 2,950 K를 나타내며, 강한 항성 복사와 기체 없는 대기를 반영하는 열권 서명을 확인한다. 이는 증발 사막 경계 근처에서 대기 탈출 가능성이 증가할 가능성을 시사한다.

ABSTRACT

High-resolution optical spectroscopy during the transit of HD 189733b, a prototypical hot Jupiter, allowed the resolution of the Na I D sodium lines in the planet, giving access to the extreme conditions of the planet upper atmosphere. We have undertaken HEARTS, a spectroscopic survey of exoplanet upper atmospheres, to perform a comparative study of hot gas giants and determine how stellar irradiation affect them. Here, we report on the first HEARTS observations of the hot Saturn-mass planet WASP-49b. We observed the planet with the HARPS high-resolution spectrograph at ESO 3.6m telescope. We collected 126 spectra of WASP-49, covering three transits of WASP-49b. We analyzed and modeled the planet transit spectrum, while paying particular attention to the treatment of potentially spurious signals of stellar origin. We spectrally resolve the Na I D lines in the planet atmosphere and show that these signatures are unlikely to arise from stellar contamination. The large contrasts of $2.0\pm0.5\%$ (D$_2$) and $1.8\pm0.7\%$ (D$_1$) require the presence of hot neutral sodium ($2,950^{+400}_{-500}$ K) at high altitudes ($\sim$1.5 planet radius or $\sim$45,000 km). From estimating the cloudiness index of WASP-49b, we determine its atmosphere to be cloud free at the altitudes probed by the sodium lines. WASP-49b is close to the border of the evaporation desert and exhibits an enhanced thermospheric signature with respect to a farther-away planet such as HD 189733b.

연구 동기 및 목표

• 증발 사막 경계 근처에 위치한 강한 복사에 노출된, 목성질량에 가까운 외계행성 WASP-49b의 대기 조성과 열역학적 구조를 조사하기 위해.
• 관측된 나트륨 흡수 특징이 행성 대기 흡수인지 아니면 항성 오염인지 확인하기 위해.
• 고해상도 전행 분광법을 활용하여 WASP-49b의 상층 대기의 투명도와 열역학적 구조를 평가하기 위해.
• HD 189733b와 같은 다른 핫 조플리터와의 열권 반응을 비교하여 대기 탈출 메커니즘을 이해하기 위해.
• 강한 복사에 노출된 외계행성의 극한 대기 조건을 탐색하는 데 고해상도 분광법의 유효성을 검증하기 위해.

제안 방법

• WASP-49b의 세 번의 전행 동안 ESO 3.6m 망원경에 장착된 HARPS 분광계를 사용하여 고해상도 광학 분광측정(λ/Δλ ≈ 115,000)을 수행하였다.
• 126개의 개별 스펙트럼을 수집하고 병합하여 신호 대 잡음비를 향상시켰으며, 주로 589 nm의 Na i D 이중선에 집중하였다.
• 행성 대기 흡수를 분리하기 위해 전행 모델링 기법을 적용하였으며, 항성 기준선을 제거하고 기구적 드프트 및 시스템 오차를 보정하였다.
• 기체의 존재 여부를 평가하기 위해 기체 지수 C를 추정하였으며, 이soothermal 대기 조건을 가정하여 기체가 나트륨 신호를 가리지 않는지 평가하였다.
• 항성 활성도는 log R′HK 지수(−5.17)를 통해 평가되었으며, 낮은 크로모스피어 활성도를 확인하여 항성 spots나 활성도로 인한 위성 신호의 오염 가능성을 배제하였다.
• 선형형태를 적합하고 상층 대기의 열역학적 구조를 모델링하여 나트륨 흡수의 온도와 고도를 유도하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 WASP-49b의 투과 스펙트럼에서 관측된 Na i D 이중선 흡수는 행성 대기에서 기인하는가, 아니면 항성 활성도에서 기인하는가?
• RQ2 WASP-49b의 상층 대기에서 흡수되는 나트륨 층의 온도와 고도는 각각 얼마인가?
• RQ3 나트륨 선이 측정된 고도에서 WASP-49b의 대기는 기체가 있는가, 아니면 기체 없는가?
• RQ4 WASP-49b의 열권 서명은 HD 189733b와 같은 다른 강한 복사에 노출된 천체와 비교해 어떻게 다를까?
• RQ5 고해상도 전행 분광법은 증발 사막 근처의 행성에서 대기 가열 증가와 대기 탈출의 징후를 탐지할 수 있는가?

주요 결과

• WASP-49b 대기에서 Na i D 선은 D2의 경우 2.0±0.5%, D1의 경우 1.8±0.7%의 흡수 대비를 보이며 강한 대기 흡수를 나타낸다.
• 나트륨 흡수는 약 2,950 K의 뜨거운 영역에서 기인하며, 95% 신뢰구간은 2,450–3,350 K이다. 이는 열권 층의 존재를 확인한다.
• 흡수되는 나트륨는 약 1.5개의 행성 반지름(약 45,000 km) 고도에 위치해 있으며, 고고도 대기 가열과 일치한다.
• 기체 지수 C는 측정된 고도에서 기체 없는 대기를 나타내며, 나트륨의 명확한 선 검출을 뒷받침한다.
• HD 189733b보다도 WASP-49b의 열권 서명은 더 강력한데, 이는 약 2배 더 많은 항성 복사를 받음에도 불구하고, 대기 가열이 더욱 뚜렷하다는 것을 시사한다.
• 항성 활성도는 낮다(log R′HK = −5.17), 그리고 행성 궤도는 극방향으로 관측된 것으로 보아 항성 회전이나 spots로 인한 오염 가능성이 최소화되어 있다.