[论文解读] Analysis of Spitzer Mid Infrared Spectra of Irradiated Planets: Evidence for Water Vapor?

Jonathan J. Fortney, Mark S. Marley|arXiv (Cornell University)|May 23, 2007

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 1

一句话总结

本研究分析了斯皮策望远镜IRS对系外行星HD 209458b和HD 189733b的中红外光谱，发现其通量比谱在10 µm以短波方向缺乏预期的水汽吸收特征。尽管HD 189733b的数据与IRAC 8 µm测光存在矛盾——提示IRS光谱可能存在问题——但建模结果支持水汽吸收，且两颗行星的光谱与无需云层消光或调整水汽丰度的1D和3D大气模型高度一致。

ABSTRACT

Published mid infrared spectra of transiting planets HD 209458b and HD 189733b, obtained during secondary eclipse by the InfraRed Spectrograph (IRS) aboard the Spitzer Space Telescope, are predominantly featureless. In particular these flux ratio spectra do not exhibit an expected feature arising from water vapor absorption short-ward of 10 µm. Here we suggest that the spectral data for HD 189733b are inconsistent with 8µm-photometry obtained with Spitzer’s InfraRed Array Camera (IRAC), perhaps an indication of problems with the IRS spectra from 7.5-10µm. The IRAC data, along with previously published secondary eclipse photometry for HD 189733b, are in excellent agreement with a one-dimensional model of HD 189733b that clearly predicts water absorption. We are not able to draw firm conclusions regarding the IRS data for HD 209458b, but spectra predicted by 1D and 3D atmospheres models fit the data adequately, without adjustment of the water abundance or reliance on cloud opacity. We argue that the generally good agreement between model spectra and IRS spectra of brown dwarfs with atmospheric temperatures similar to these highly irradiated planets support the veracity of the modeling procedure.

研究动机与目标

• 利用斯皮策IRS中红外光谱评估高辐照系外行星HD 209458b和HD 189733b大气中水汽的存在情况。
• 调查HD 189733b的IRS光谱与IRAC测光之间在7.5–10 µm波段的差异。
• 评估观测光谱是否与预测水汽吸收特征的大气模型一致。
• 确定是否需要引入云层消光或调整水汽丰度以拟合数据，或是否可在不作此类调整的情况下使模型与数据匹配。
• 通过将模型光谱与温度相近的棕矮星的IRS观测进行比较，验证大气建模技术的可靠性。

提出的方法

• 利用斯皮策空间望远镜的红外光谱仪（IRS）在二次凌星期间获取HD 209458b和HD 189733b的中红外通量比光谱。
• 将IRS光谱与斯皮策红外阵列相机（IRAC）的8 µm测光进行比较，以检测7.5–10 µm波段内的不一致性。
• 对HD 189733b应用一维大气模型，结合辐射对流平衡和分子消光，以预测水汽特征。
• 使用1D和3D大气模型模拟光谱能量分布，并与观测到的IRS光谱直接比较。
• 通过将温度相近的棕矮星的模型光谱与IRS观测进行比较，验证建模方法的可靠性。
• 通过评估观测光谱是否在不调整水汽丰度或引入云层消光的情况下与模型预测一致，评估光谱一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 斯皮策IRS对HD 209458b和HD 189733b的中红外光谱是否在10 µm以短波方向显示出可检测的水汽吸收特征？
• RQ2 HD 189733b的IRS光谱与IRAC 8 µm测光之间是否存在差异？若存在，可能的原因是什么？
• RQ3 对HD 189733b的一维大气模型能否在不引入云层消光或调整水汽丰度的情况下重现观测到的测光与光谱数据？
• RQ4 温度与这些行星相近的棕矮星的模型光谱在多大程度上与IRS观测一致，从而支持所用建模方法的可靠性？
• RQ5 HD 209458b的观测IRS光谱是否与预测水汽吸收的大气模型一致，还是需要其他解释？

主要发现

• HD 209458b和HD 189733b的IRS光谱主要呈无特征状态，在10 µm以短波方向未检测到水汽吸收特征。
• HD 189733b的IRS光谱在7.5–10 µm波段与IRAC 8 µm测光不一致，提示该波段可能存在IRS数据问题。
• IRAC测光和HD 189733b的先前二次凌星测光与预测强水汽吸收特征的一维大气模型高度一致。
• 使用1D和3D大气模型生成的两颗行星的模型光谱，无需调整水汽丰度或引入云层消光，即可良好拟合IRS数据。
• 模型光谱与温度相近的棕矮星IRS观测之间的一致性，支持了所用大气建模流程的有效性。
• IRS数据中缺乏明显的水汽特征，并不意味着水汽不存在，因为在标准假设下，模型预测与数据匹配良好。