[论文解读] Polarized scattered light from self-luminous exoplanets. Three-dimensional scattering radiative transfer with ARTES

T. Stolker, M. Min+4 more|UvA-DARE (University of Amsterdam)|Jun 28, 2017

Atmospheric Ozone and Climate参考文献 138被引用 26

一句话总结

本文提出了一种用于模拟自发光系外行星偏振散射光的3D蒙特卡洛辐射转移代码（ARTES），重点研究大气不对称性（如云层不均匀性、扁平化以及环绕行星盘）对近红外偏振的影响。主要结果表明，在扁平行星上，高海拔、光学厚度大的赤道云层可使偏振度达到最大值（约1%）；而微米级颗粒则因前向散射效应而抑制偏振。

ABSTRACT

Direct imaging has paved the way for atmospheric characterization of young and self-luminous gas giants. Scattering in a horizontally-inhomogeneous atmosphere causes the disk-integrated polarization of the thermal radiation to be linearly polarized, possibly detectable with the newest generation of high-contrast imaging instruments. We aim to investigate the effect of latitudinal and longitudinal cloud variations, circumplanetary disks, atmospheric oblateness, and cloud particle properties on the integrated degree and direction of polarization in the near-infrared. We have developed a three-dimensional Monte Carlo radiative transfer code (ARTES) for scattered light simulations in (exo)planetary atmospheres. The code is applicable to calculations of reflected light and thermal radiation in a spherical grid with a parameterized distribution of gas, clouds, hazes, and circumplanetary material. The disk-integrated degree of polarization of a horizontally-inhomogeneous atmosphere is maximal when the planet is flattened, the optical thickness of the equatorial clouds is large compared to the polar clouds, and the clouds are located at high altitude. For a flattened planet, the integrated polarization can both increase or decrease with respect to a spherical planet which depends on the horizontal distribution and optical thickness of the clouds. The direction of polarization can be either parallel or perpendicular to the projected direction of the rotation axis when clouds are zonally distributed. Rayleigh scattering by submicron-sized cloud particles will maximize the polarimetric signal whereas the integrated degree of polarization is significantly reduced with micron-sized cloud particles as a result of forward scattering. The presence of a cold or hot circumplanetary disk may also produce a detectable degree of polarization ($\lesssim$1%) even with a uniform cloud layer in the atmosphere.

研究动机与目标

• 研究3D大气不对称性如何影响自发光系外行星在近红外波段的盘积分偏振度。
• 评估下一代高对比度成像仪器探测年轻、自发光气态巨行星偏振信号的可行性。
• 量化云层特性、行星扁平度以及环绕行星盘对偏振度和偏振方向的影响。
• 评估红外偏振测量作为直接成像系外行星大气结构与动力学诊断工具的潜力。
• 开发一种适用于行星大气中散射热辐射与反射光的物理解析一致的3D辐射转移框架。

提出的方法

• 开发了ARTES，一种用于球坐标网格中散射光的3D蒙特卡洛辐射转移代码，可参数化气体、云层、霾层及环绕行星物质的分布。
• 采用灰体大气近似来确定热结构，以实现热辐射与散射过程的解耦。
• 利用瑞利散射和类似米氏的散射模型进行模拟，粒子尺寸可变（亚微米至微米级），以评估尺寸相关的偏振效应。
• 通过水平方向光学厚度的变化（如赤道与极区云层）和高度变化来建模云层分布，以研究不对称性的影响。
• 引入行星扁平度和环绕行星盘，以评估其对偏振信号的影响。
• 计算不同观测几何构型与大气配置下的盘积分线性偏振度与偏振方向。

实验结果

研究问题

• RQ1 水平方向的云层不均匀性（如赤道与极区云层）如何影响自发光系外行星的盘积分偏振度与偏振方向？
• RQ2 行星扁平度在多大程度上增强或抑制近红外波段的可探测偏振信号？
• RQ3 云层颗粒尺寸与散射特性（如瑞利散射与米氏散射）如何影响偏振信号的强度？
• RQ4 即使大气云层均匀，环绕行星盘或环是否仍能产生可探测的偏振信号？
• RQ5 在何种大气与几何条件下可使偏振度最大化，从而实现当前及未来仪器的探测？

主要发现

• 当行星呈扁平状、赤道云层为高海拔且光学厚度大、极区云层较薄时，盘积分偏振度达到最大值。
• 对于扁平行星，偏振度可能相对于球形行星增强或减弱，具体取决于水平云层分布与光学厚度。
• 当云层呈纬向分布时，偏振方向可能与投影自转轴平行或垂直。
• 亚微米颗粒的瑞利散射可使偏振信号最大化，而微米级颗粒则因强烈的前向散射而降低偏振度。
• 无论冷热，环绕行星盘均可在大气云层均匀的情况下产生高达约1%的可探测偏振度。
• 偏振信号对高海拔、光学厚度大的赤道云层与行星扁平度最为敏感，使其成为偏振特征表征的关键指标。