[论文解读] A new method to correct for host star variability in multi-epoch observations of exoplanet transmission spectra

Vatsal Panwar, Jean-Michel Désert+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2022

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 83被引用 7

一句话总结

本文提出了一种新颖的实验方法，通过利用光谱斜率与偏移量之间的相关性，校正多 epoch 系外行星透射光谱中的波长依赖性恒星变异性。通过对八组 GMOS 观测的 WASP-19b 数据应用该校正方法，作者获得了高精度的透射光谱，该光谱在 5σ 水平上排除了太阳丰度的 TiO，并支持 TiO 丰度为太阳丰度的 1000 分之一，从而解决了先前与 MOS 测量结果之间的矛盾。

ABSTRACT

Transmission spectra of exoplanets orbiting active stars suffer from wavelength-dependent effects due to stellar photospheric heterogeneity. WASP-19b, an ultra-hot Jupiter (T$_{eq}$ $\sim$ 2100 K), is one such strongly irradiated gas-giant orbiting an active solar-type star. We present optical (520-900 nm) transmission spectra of WASP-19b obtained across eight epochs using the Gemini Multi-Object Spectrograph (GMOS) on the Gemini-South telescope. We apply our recently developed Gaussian Processes regression based method to model the transit light curve systematics and extract the transmission spectrum at each epoch. We find that WASP-19b's transmission spectrum is affected by stellar variability at individual epochs. We report an observed anticorrelation between the relative slopes and offsets of the spectra across all epochs. This anticorrelation is consistent with the predictions from the forward transmission models, which account for the effect of unocculted stellar spots and faculae measured previously for WASP-19. We introduce a new method to correct for this stellar variability effect at each epoch by using the observed correlation between the transmission spectral slopes and offsets. We compare our stellar variability corrected GMOS transmission spectrum with previous contradicting MOS measurements for WASP-19b and attempt to reconcile them. We also measure the amplitude and timescale of broadband stellar variability of WASP-19 from TESS photometry, which we find to be consistent with the effect observed in GMOS spectroscopy and ground-based broadband photometric long-term monitoring. Our results ultimately caution against combining multi-epoch optical transmission spectra of exoplanets orbiting active stars before correcting each epoch for stellar variability.

研究动机与目标

• 解决活跃恒星周围系外行星透射光谱因光球异质性（特别是未被食的黑子和亮斑）导致的扭曲问题。
• 利用 VLT/FORS2、ESPRESSO 和 Magellan/IMACS 的先前 MOS 研究结果，解决 WASP-19b 光学透射光谱的矛盾。
• 开发并验证一种经验校正方法，以在光谱合并前考虑 epoch 依赖的恒星变异性。
• 通过校正由恒星活动引起的系统性偏移与斜率，实现多 epoch 透射光谱的协调一致。
• 证明对活跃恒星的光谱进行简单叠加会导致偏差结果，强调在光谱合并前必须进行校正。

提出的方法

• 该方法使用高斯过程建模凌星光曲线，以分离系统性误差并提取各 epoch 的透射光谱。
• 该方法识别出各 epoch 之间光谱斜率与偏移量存在强烈负相关性，这与未被食的恒星黑子和亮斑的前向模型一致。
• 作者利用观测到的斜率-偏移相关性作为校准工具，对各 epoch 之间的相对校正进行处理。
• 通过缩放和偏移各 epoch 光谱，使其在统一参考系中对齐，再进行最终合并。
• 该方法通过 TESS 光度测量进行验证，以测量宽带恒星变异性（振幅 ~0.3%， timescale ~1.5 天），其结果与光谱变异性一致。
• 最终合并光谱与 HST/WFC3 及先前的 MOS 数据进行比较，以解决矛盾。

实验结果

研究问题

• RQ1 恒星光球异质性如何在多 epoch 系外行星透射光谱中引起波长依赖性的系统性偏差？
• RQ2 观测到的各 epoch 之间光谱斜率与偏移量的负相关性是否可作为校正恒星变异性影响的代理？
• RQ3 为何先前对 WASP-19b 透射光谱的 MOS 测量在 TiO 和 Na 特征上结果相互矛盾？
• RQ4 未校正的恒星变异性在多大程度上会偏差活跃恒星周围系外行星最终合并透射光谱？
• RQ5 来自 TESS 光度测量的宽带恒星变异性与 GMOS 数据中各 epoch 的光谱变异性相比如何？

主要发现

• 在八组 GMOS 观测中，光谱斜率与偏移量之间的负相关性相关系数为 -0.88，强烈支持未被食恒星黑子和亮斑的影响。
• 各 epoch 之间光谱偏移的振幅约为 ~4000 ppm，斜率范围为 -0.4 至 0.6 ppm/Å，与前向模型预测一致。
• 应用新校正方法后，GMOS 透射光谱在 5σ 水平上排除了太阳丰度的 TiO。
• 校正后的光谱支持 TiO 丰度为太阳丰度的 1000 分之一，与 TiO 凝结或在 terminator 处冷捕获的模型一致。
• 校正后的 GMOS 光谱精度比先前的 MOS 测量（Espinoza et al. 2019；Sedaghati et al. 2017）提高了约 40%，在 10 nm 波段内对 Na 的检测达到 ~3σ 的显著性。
• 来自 TESS 光度测量的宽带恒星变异性（振幅 ~0.3%， timescale ~1.5 天）与 GMOS 光谱中观测到的各 epoch 变异性一致。