[论文解读] A spectral survey of an ultra-hot Jupiter: Detection of metals in the transmission spectrum of KELT-9 b

H. J. Hoeijmakers, D. Ehrenreich+17 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2019

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

一句话总结

本研究利用HARPS-N对超热木星KELT-9 b进行了高分辨率光谱观测，检测到其掩食光谱中存在多种金属吸收线（Na i、Cr ii、Sc ii、Y ii，以及已确认的Fe ii、Mg i等）。观测到的吸收线深度显著大于预期，表明大气层可能延伸或正在喷发物质，且未检测到明显的多普勒红移，说明不存在强烈的昼夜风。通过轨道建模，进一步精确了行星参数。

ABSTRACT

Context: KELT-9 b exemplifies a newly emerging class of short-period gaseous exoplanets that tend to orbit hot, early type stars - termed ultra-hot Jupiters. The severe stellar irradiation heats their atmospheres to temperatures of $\sim 4,000$ K, similar to the photospheres of dwarf stars. Due to the absence of aerosols and complex molecular chemistry at such temperatures, these planets offer the potential of detailed chemical characterisation through transit and day-side spectroscopy. Studies of their chemical inventories may provide crucial constraints on their formation process and evolution history. Aims: To search the optical transmission spectrum of KELT-9 b for absorption lines by metals using the cross-correlation technique. Methods: We analyse 2 transits observed with the HARPS-N spectrograph. We use an isothermal equilibrium chemistry model to predict the transmission spectrum for each of the neutral and singly-ionized atoms with atomic numbers between 3 and 78. Of these, we identify the elements that are expected to have spectral lines in the visible wavelength range and use those as cross-correlation templates. Results: We detect absorption of Na I, Cr II, Sc II and Y II, and confirm previous detections of Mg I, Fe I, Fe II and Ti II. In addition, we find evidence of Ca I, Cr I, Co I, and Sr II that will require further observations to verify. The detected absorption lines are significantly deeper than model predictions, suggesting that material is transported to higher altitudes where the density is enhanced compared to a hydrostatic profile. There appears to be no significant blue-shift of the absorption spectrum due to a net day-to-night side wind. In particular, the strong Fe II feature is shifted by $0.18 \pm 0.27$ km~s$^{-1}$, consistent with zero. Using the orbital velocity of the planet we revise the steller and planetary masses and radii.

研究动机与目标

• 检测被炽热A型恒星强烈照射的超热木星KELT-9 b在光学掩食光谱中的金属吸收线。
• 通过吸收线的多普勒位移研究大气动力学，探测可能存在的昼夜大气环流。
• 检验等温平衡化学模型对极端高温系外行星大气中金属线强度的预测。
• 通过径向速度建模对掩食数据进行分析，改进对行星和恒星参数的约束。

提出的方法

• 利用HARPS-N仪器在KELT-9 b两次掩食期间进行了高分辨率光谱观测。
• 采用互相关技术，使用由等温平衡化学模型预测的中性原子和一价离子（Z = 3 至 78）的合成模板。
• 基于可见光波段（380–680 nm）内预期的光谱线选择模板，并计算互相关函数以检测吸收特征。
• 测量检测到的吸收线的径向速度位移，以评估大气环流模式。
• 通过将轨道径向速度曲线拟合至观测数据，对恒星和行星参数进行优化。
• 将模型预测的线深与实际观测值进行比较，以推断大气结构及潜在的大气喷发现象。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过高分辨率掩食光谱学，KELT-9 b大气中存在哪些金属元素？
• RQ2 吸收线中是否存在可探测的多普勒位移，表明存在从白昼侧向夜晚侧的大气风？
• RQ3 为何观测到的吸收线深度显著深于等温平衡化学模型的预测值？
• RQ4 从线深异常推断出的大气结构，能揭示关于大气逃逸或垂直混合的哪些信息？
• RQ5 如何通过掩食数据的径向速度建模，获得更精确的恒星和行星参数？

主要发现

• 以超过5σ的显著性检测到Na i、Cr ii、Sc ii和Y ii的吸收线，证实其存在于KELT-9 b的大气中。
• 检测到的吸收线深度显著深于等温平衡化学模型的预测值，表明高海拔区域存在增强的物质，可能源于大气喷发或大气层扩展。
• 未观测到显著的多普勒位移：Fe ii线的位移为0.18 ± 0.27 km s⁻¹，与零径向速度偏移一致，表明不存在强烈的净昼夜风。
• 本研究确认了先前对Mg i、Fe i、Fe ii和Ti ii的检测，并提供了Ca i、Cr i、Co i和Sr ii存在的证据，但需进一步验证。
• 优化了行星和恒星参数：M* = 1.978 ± 0.023 M☉，R* = 2.178 ± 0.011 R☉，mp = 2.44 ± 0.70 MJ，Rp = 1.783 ± 0.009 RJ。
• 缺乏强多普勒位移与线深增强共同表明，大气层可能呈垂直扩展或正在向外喷发，可能由极端恒星辐射驱动。