[论文解读] Hot Exoplanet Atmospheres Resolved with Transit Spectroscopy (HEARTS) - II. A broadened sodium feature on the ultra-hot giant WASP-76b

J. V. Seidel, D. Ehrenreich+19 more|UvA-DARE (University of Amsterdam)|Jan 30, 2019

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 50被引用 35

一句话总结

HEARTS 调查通过 HARPS 的瞬时光谱观测在 WASP-76b 中检测到中性钠，发现显著扩展的 Na I 线，可能追踪上层大气动力学如超自转。信号在三次凌日中可重复，统计意义很高。

ABSTRACT

High-resolution optical spectroscopy is a powerful tool to characterise exoplanetary atmospheres from the ground. The sodium D lines, with their large cross sections, are especially suited to study the upper layers of atmospheres in this context. We report on the results from HEARTS, a spectroscopic survey of exoplanet atmospheres, performing a comparative study of hot gas giants to determine the effects of stellar irradiation. In this second installation of the series, we highlight the detection of neutral sodium on the ultra-hot giant WASP-76b. We observed three transits of the planet using the HARPS high-resolution spectrograph at the ESO 3.6m telescope and collected 175 spectra of WASP-76. We repeatedly detect the absorption signature of neutral sodium in the planet atmosphere ($0.371\pm0.034\%$; $10.75 σ$ in a $0.75$ Å passband). The sodium lines have a Gaussian profile with full width at half maximum (FWHM) of $27.6\pm2.8$ km s$^{-1}$. This is significantly broader than the line spread function of HARPS ($2.7$ km s$^{-1}$). We surmise that the observed broadening could trace the super-rotation in the upper atmosphere of this ultra-hot gas giant.

研究动机与目标

• 通过高分辨率透射光谱研究热气态巨行星的上大气性质，聚焦钠作为关键诊断值

提出的方法

• 在 ESO 3.6m 望远镜上使用 HARPS 观测 WASP-76b 的三次凌日
• 聚焦于 HARPS 光谱序列的第56阶，包含 Na I D 双线（5890-5896 Å 区域）
• 使用 molecfit 对大气层线进行大气校正以去除大气线
• 进行同时的 EulerCam 光度测量以约束凌日参数和基线
• 在行星静止帧中，通过比较在凌日和凌日之外的光谱构建透射光谱
• 对 Na I 线核拟合高斯轮廓以推导线深度和半峰全宽（FWHM）
• 评估跨夜重复性并评估潜在的中心到日边变化（CLV）/ 罗西特-麦克劳林效应对透射光谱的影响
• 在计算透射光谱时考虑凌日过程中的行星径向速度位移

实验结果

研究问题

• RQ1 在 WASP-76b 的大气中，在凌日期间是否检测到中性钠？
• RQ2 WASP-76b 的 Na I 双线的线型（深度与宽度）是什么，它对大气动力学有何启示？
• RQ3 钠信号是否在多次凌日中可重复，观测系统误差如何影响它？
• RQ4 中心到日边变化（CLV）或罗西特-麦克劳林效应是否显著偏倚该系统的透射光谱？
• RQ5 与检测到的钠吸收对应的大气高度是多少？

主要发现

• 中性钠在 WASP-76b 大气中反复被检测，在 0.75 Å 带宽下，Na I D2 和 D1 线的吸收深度分别为 0.373% 和 0.508%（在 0.75 Å 带宽中的数值为 0.371±0.034% 和 0.508±0.083%）。
• Na I 线呈高斯轮廓，FWHM 为 27.6±2.8 km/s，显著高于 HARPS 的仪器线展宽函数 2.7 km/s。
• 在如 0.75 Å 的窄带中观察到强烈的核心钠信号，在 2×0.75 Å 的中心带宽中检测度为 10.75σ。
• 透射信号在三晚中可重复，2×0.75 Å 带宽内的夜内深度一致性在 1σ 范围内。
• 与最强核心吸收对应的大气高度：28,800±2,600 km (0.19±0.02 Rp)。
• 该展宽被认为可追踪 WASP-76b 上层大气的超自转。