[论文解读] A temperature inversion in WASP-33b? Large Binocular Telescope occultation data confirm significant thermal flux at short wavelengths

C. von Essen, M. Mallonn+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2015

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 52被引用 24

一句话总结

本研究利用大型双子望远镜对超热木星WASP-33b在V波段和Y波段进行了同时二次凌日观测，通过脉动建模分离出行星信号。测得的掩食深度为1.03 ± 0.34 ppt，对应亮度温度为3398 ± 302 K，与黑体辐射谱一致，表明大气中有效再辐射了恒星能量，但尚无确凿证据显示存在温度反转。

ABSTRACT

We observed a secondary eclipse of WASP-33b quasi-simultaneously in the optical (~0.55 μm) and the near-infrared (~1.05 μm) using the 2x8.4 m Large Binocular Telescope. WASP-33 is a δ Scuti star pulsating with periods comparable to the eclipse duration, making the determination of the eclipse depth challenging. We use previously determined oscillation frequencies to model and remove the pulsation signal from the light curves, isolating the secondary eclipse. The determined eclipse depth is dF = 1.03 +/- 0.34 parts per thousand, corresponding to a brightness temperature of Tb = 3398 +/- 302 K. Combining previously published data with our new measurement we find the equilibrium temperature of WASP-33b to be Tb = 3358 +/- 165 K. We compare all existing eclipse data to a blackbody spectrum, to a carbon-rich non-inverted model and to a solar composition model with an inverted temperature structure. We find that current available data on WASP-33b's atmosphere can be best represented by a simple blackbody emission, without the need for more sophisticated atmospheric models with temperature inversions. Although our data cannot rule out models with or without a temperature inversion, they do confirm a high brightness temperature for the planet at short wavelengths. WASP-33b is one of the hottest exoplanets known till date, and its equilibrium temperature is consistent with rapid reradiation of the absorbed stellar light and a low albedo.

研究动机与目标

• 利用地基望远镜测量WASP-33b在光学（V波段）和近红外（Y波段）波段的二次掩食深度。
• 通过建模消除δ Scuti型恒星WASP-33的脉动信号，以减轻光曲线中的相关噪声，从而分离出行星的热辐射信号。
• 基于多波段掩食数据，确定WASP-33b的亮度温度与平衡温度。
• 通过与黑体、碳丰度高的非反转以及太阳组成下的反转模型比较，评估WASP-33b的大气结构是否支持温度反转。
• 评估恒星活动与反照率对掩食深度及大气解释的影响。

提出的方法

• 利用大型双子望远镜在V波段（≈0.55 μm）和Y波段（≈1.05 μm）对WASP-33b的二次掩食进行了同时测光观测。
• 利用先前确定的振荡频率对恒星脉动信号进行建模，并从光曲线中去除，以降低相关噪声并提高掩食深度的测量精度。
• 测得的掩食深度为ΔF = 1.03 ± 0.34 ppt，对应亮度温度为T_B = 3398 ± 302 K。
• 将光谱能量分布拟合至黑体曲线，并结合本研究与先前观测的数据，推导出平衡温度为T_eq = 3358 ± 165 K。
• 通过χ²统计量比较模型，评估黑体、非反转及反转大气模型对观测数据的拟合优度。
• 通过高分辨率Keck/HIRES光谱仪对Ca II H和K线的观测，评估恒星活动对大气解释的潜在影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 WASP-33b在光学与近红外波段的二次掩食深度是否支持其大气中存在温度反转？
• RQ2 δ Scuti型恒星WASP-33的恒星脉动在多大程度上影响了掩食深度测量的精度？
• RQ3 WASP-33b的亮度温度与黑体及大气模型预测值相比如何？
• RQ4 当结合多波段掩食数据时，WASP-33b的平衡温度是多少？
• RQ5 短波长处观测到的通量分布是否表明恒星能量被高效再辐射，暗示反照率较低且热效率较高？

主要发现

• V波段测得的掩食深度为ΔF = 1.03 ± 0.34 ppt，对应亮度温度为3398 ± 302 K。
• WASP-33b的平衡温度确定为3358 ± 165 K，与先前测量结果一致，表明其有效再辐射了吸收的恒星辐射。
• 观测数据最符合黑体辐射谱，对存在或不存在温度反转的模型无显著统计偏好。
• 虽然不能排除温度反转的存在，但数据并不需要它，且未发现TiO/VO诱导反转的明确证据。
• 成功对恒星脉动进行建模并从光曲线中去除，显著降低了相关噪声，提升了掩食深度的测定精度。
• 若几何反照率为0.5，将对掩食深度贡献约350 ppt，该值处于1-σ不确定度范围内，表明该贡献不会显著改变所推导的温度结果。