[论文解读] Exoplanetary atmospheric sodium revealed by the orbital motion. Narrow-band transmission spectroscopy of HD 189733b with UVES

S. Khalafinejad, C. von Essen+9 more|ASEP|Oct 5, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 61被引用 29

一句话总结

本研究利用甚大望远镜上的高分辨率UVES光谱仪对HD 189733b凌日过程进行观测，测量其大气中的钠吸收，校正了恒星边缘暗化、活动性以及径向速度引起的光曲线‘突起’效应。研究确认了大气中存在钠，其等效宽度为0.0023 ± 0.0010 Å，过量吸收深度分别为1 Å时0.72 ± 0.25%、1.5 Å时0.34 ± 0.11%、3 Å时0.20 ± 0.06%，并据此得出钠数密度约为10⁴个原子/cm³的精确估计值。

ABSTRACT

During primary transits, the spectral signatures of an exoplanet atmosphere can be measured using transmission spectroscopy. The goal of this work is to accurately measure the atomspheric sodium absorption light curve in HD189733b, correcting for the effects of stellar differential limb-darkening, stellar activity and a "bump" caused by the changing radial velocity of the exoplanet. In fact, due to the high cadence and quality of our data, it is the first time that the last feature can be detected even by visual inspection. We use 244 high-resolution optical spectra taken by the UVES instrument mounted at the VLT. Our observations cover a full transit of HD 189733b, with a cadence of 45 seconds. To probe the transmission spectrum of sodium we produce excess light- curves integrating the stellar flux in passbands of 1 Å, 1.5 Å, and 3 Åinside the core of each sodium D-line. We model the effects of external sources on the excess light-curves, which correspond to an observed stellar flare beginning close to mid-transit time and the wavelength dependent limb-darkening effects. In addition, by characterizing the effect of the changing radial velocity and Doppler shifts of the planetary sodium lines inside the stellar sodium lines, we estimate the depth and width of the exoplanetary sodium feature. We estimate the shape of the planetary sodium line by a Gaussian profile, with an equivalent width of 0.0023 \pm 0.0010 Å, thereby confirming the presence of sodium in the atmosphere of HD189733b with excess absorption levels of 0.72 \pm 0.25%, 0.34 \pm 0.11%, and 0.20 \pm 0.06% for the integration bands of 1 Å, 1.5 Å, and 3 Å, respectively. From these, we produce a first order estimate of the number density of sodium in the exoplanet atmosphere.

研究动机与目标

• 利用高分辨率透射光谱精确测量HD 189733b大气中的钠吸收。
• 校正由恒星边缘暗化、活动性以及轨道径向速度效应引起的系统性偏差。
• 分离并建模由于行星在凌日过程中速度变化而引起的径向速度诱导‘突起’现象。
• 为大气建模推导出精确的等效宽度和行星钠特征的吸收深度。
• 基于光谱测量结果，估算该系外行星高层大气中钠的数密度。

提出的方法

• 在HD 189733b完整凌日期间，以45秒的时间间隔，使用甚大望远镜上的UVES获取了244组高分辨率光学光谱。
• 通过在钠D线核心区域的窄波段（1 Å、1.5 Å、3 Å）内积分恒星通量，生成过量光曲线。
• 建模了恒星差分边缘暗化以及中凌时耀斑对观测光曲线的影响。
• 考虑了由于轨道径向速度导致的行星钠线在恒星吸收轮廓中的多普勒位移。
• 对行星钠线拟合高斯轮廓，以估算其深度、宽度和等效宽度。
• 利用推导出的等效宽度估算系外行星大气中钠的数密度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在对恒星边缘暗化和活动性进行校正后，HD 189733b大气中钠吸收的真实深度是多少？
• RQ2 该系外行星的轨道运动如何在凌日过程中于过量光曲线中引起可测量的‘突起’？
• RQ3 行星钠线的径向速度位移在多大程度上影响了观测到的透射光谱？
• RQ4 尽管存在大气和仪器挑战，高分辨率地基光谱学能否可靠地探测并量化系外行星大气中的钠？
• RQ5 基于观测到的吸收，HD 189733b高层大气中钠原子的估计数密度是多少？

主要发现

• 行星钠线的等效宽度测量值为0.0023 ± 0.0010 Å，证实了大气中存在钠。
• 过量吸收深度在1 Å积分波段为0.72 ± 0.25%，在1.5 Å时为0.34 ± 0.11%，在3 Å时为0.20 ± 0.06%，与先前研究结果一致。
• 在中凌附近光曲线中出现的明显‘突起’被归因于行星相对于恒星的径向速度变化。
• 径向速度效应导致行星钠线在恒星吸收轮廓中移动，形成可测量的特征，必须在建模中予以考虑。
• 推导出的钠数密度约为10⁴个原子/cm³，与Heng等人（2015）的理论模型结果高度一致。
• 由于影响较小，模型中未包含恒星黑子和自转效应，但其潜在影响仍需在未来高时间分辨率、同步多波段观测中进一步考虑。