[论文解读] Into the Storm: Diving into the winds of the ultra hot Jupiter WASP-76 b with HARPS and ESPRESSO

J. V. Seidel, D. Ehrenreich+27 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 1

一句话总结

本研究利用HARPS和ESPRESSO的高分辨率光谱数据，分析超热木星WASP-76b大气中的钠双线，采用考虑行星自转的更新版MERC代码模拟风场模式。研究揭示了上层大气中22.7 km/s的垂直风速和下层大气中5.5 km/s的水平风速，并在10^{-3} bar压力层出现风场模式的转变，为中间大气层的垂直动力学提供了观测证据。

ABSTRACT

Despite swift progress in the characterisation of exoplanet atmospheres in composition and structure, the study of atmospheric dynamics has not progressed at the same speed. While theoretical models have been developed to describe the lower layers of the atmosphere and, disconnected, the exosphere, little is known about the intermediate layers up to the thermosphere. We aim to provide a clearer picture of atmospheric dynamics for the class of ultra hot Jupiters, highly-irradiated gas giants, on the example of WASP-76~b. We analysed two datasets jointly, obtained with the HARPS and ESPRESSO spectrographs, to interpret the resolved planetary sodium doublet. We then applied an updated version of the MERC code, with added planetary rotation, also provides the possibility to model the latitude dependence of the wind patterns. We retrieve the highest Bayesian evidence for an isothermal atmosphere, interpreted as a mean temperature of $3389\pm227$ K, a uniform day-to-night side wind of $5.5^{+1.4}_{-2.0}\,$ km/s in the lower atmosphere with a vertical wind in the upper atmosphere of $22.7^{+4.9}_{-4.1}\,$ km/s, switching atmospheric wind patterns at $10^{-3}$ bar above the reference surface pressure ($10$ bar). Our results for WASP-76~b are compatible with previous studies of the lower atmospheric dynamics of WASP-76~b and other ultra hot Jupiters. They highlight the need for vertical winds in the intermediate atmosphere above the layers probed by global circulation model studies to explain the line broadening of the sodium doublet in this planet. This work demonstrates the capability of exploiting the resolved spectral line shapes to observationally constrain possible wind patterns in exoplanet atmospheres, an invaluable input to more sophisticated 3D atmospheric models in the future.

研究动机与目标

• 改进对超热木星中间层（对流层与热层之间）大气动力学的理解。
• 解决高度受 irradiated 的系外行星上层大气中风场模式缺乏观测约束的问题。
• 利用更新的光谱分析技术，模拟行星自转与大气风场的综合影响。
• 检验解析谱线形状是否能够约束系外行星大气中超出全球环流模型预测的大气动力学特征。

提出的方法

• 联合分析HARPS和ESPRESSO仪器针对系外行星钠双线的高分辨率光谱数据。
• 应用更新版本的MERC代码，该代码整合了行星自转和纬向依赖的风场模式。
• 使用贝叶斯推断反演大气参数，包括温度和风速。
• 通过建模谱线轮廓形状，推断钠吸收特征中由风引起的多普勒频移和展宽。
• 在上层大气中引入垂直风分量，以解释观测到的谱线展宽。
• 利用贝叶斯证据评估模型拟合优度，以选择最合理的的大气结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 WASP-76b大气中，特别是在中间层，水平与垂直风场模式是怎样的？
• RQ2 行星自转与纬向依赖风场如何影响观测到的钠谱线轮廓？
• RQ3 解析谱线形状是否能够提供超越全球环流模型预测的大气动力学的观测约束？
• RQ4 WASP-76b大气的温度结构是什么？其与风场模式有何关联？
• RQ5 风场模式从水平主导转变为垂直主导的压力水平是多少？

主要发现

• WASP-76b大气的最佳拟合模型为等温模型，平均温度为3389 ± 227 K。
• 在下层大气中反演得到均匀的水平风速为5.5+1.4−2.0 km/s，与白天到夜晚半球的气流一致。
• 为解释观测到的谱线展宽，上层大气中需要存在22.7+4.9−4.1 km/s的强垂直风速。
• 水平风与垂直风主导的转变发生在10^{-3} bar压力层，高于参考表面压力10 bar。
• 包含垂直风的模型具有最高的贝叶斯证据，表明其对解释数据的必要性。
• 结果支持在超热木星的三维大气模型中纳入垂直动力学的必要性。