[论文解读] Investigation of the upper atmosphere in ultra-hot Jupiter WASP-76 b with high-resolution spectroscopy

Kiyoe Kawauchi, Norio Narita+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 61被引用 12

一句话总结

本研究利用昴神望远镜/HDS对超热木星WASP-76b进行了高分辨率透射光谱观测，检测到Na D吸收线的展宽与加深。结果揭示其热层温度为3700–4200 K，显著高于约2160 K的平衡温度，表明大气受恒星X射线和极紫外辐射加热。

ABSTRACT

Alkali metal lines are one of the most important key opacity sources for understanding exoplanetary atmospheres because the Na I resonance doublets are thought to be the cause of low albedo, as the alkali metal's wide line wings absorb almost all of the incoming stellar irradiation. High-resolution transmission spectroscopy of Na absorption lines can be used to investigate the temperature of the thermosphere of hot Jupiters, which is increased by stellar X-ray and EUV irradiation. We applied high-resolution transmission spectroscopy to the ultra-hot Jupiter WASP-76 b with the High Dispersion Spectrograph (HDS) on the Subaru 8.2 m telescope. We report the detection of strong Na D excess absorption with line contrasts of 0.42 $\pm$ 0.03 % (D1 at 5895.92 {A}) and 0.38 $\pm$ 0.04 % (D2 at 5889.95 {A}), FWHMs of 1.63 $\pm$ 0.13 {A} (D1) and 1.87 $\pm$ 0.22 {A} (D2), and EWs of (7.29 $\pm$ 1.43) $ imes$ 10$^{-3}$ {A} (D1) and (7.56 $\pm$ 2.38) $ imes$ 10$^{-3}$ {A} (D2). These results show that the Na D absorption lines are shallower and broader than those in previous work, whereas the absorption signals over the same passband are consistent with those in previous work. We derive the best-fitted isothermal temperature of 3700 K (without rotation) and 4200 K (with rotation). These results suggest the possibility of the existence of a thermosphere because the derived atmospheric temperature is higher than the equilibrium temperature ($\sim$ 2160 K).

研究动机与目标

• 利用高分辨率透射光谱研究超热木星WASP-76b的高层大气结构。
• 通过分析Na D线轮廓，确定热层的温度与动力学特性。
• 通过改进的数据降噪与建模方法，解决先前高分辨率Na吸收测量中存在的一致性问题。
• 通过线宽与不对称性分析，评估大气逃逸与风场模式的影响。
• 将观测到的透射光谱与包含热电离和旋转效应的理论模型进行比较。

提出的方法

• 利用昴神望远镜8.2米望远镜上的高分辨率光谱仪（HDS）在WASP-76b凌星期间进行观测，光谱分辨率约为90,000。
• 采用自定义数据降噪流程，去除地球大气、恒星及仪器特征，并校正行星的径向速度。
• 使用高斯分布与理论透射模型拟合Na D线轮廓，包含等温与辐射平衡假设。
• 在理论模型中引入钠的热电离与旋转效应，以提升光谱拟合精度。
• 使用Markov链蒙特卡洛（MCMC）方法，借助emcee软件包估算不确定性并进行模型比较。
• 将观测到的线对比度、半高全宽（FWHM）与等效宽度，与低分辨率数据及以往高分辨率研究结果进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 利用高分辨率光谱，WASP-76b大气中Na D吸收线的精确对比度、FWHM与等效宽度是多少？
• RQ2 与HARPS和ESPRESSO先前测量结果相比，所推导的Na D线参数有何差异？
• RQ3 WASP-76b的推断热层温度是多少？是否超过其平衡温度？
• RQ4 由Na D线轮廓的展宽与不对称性所揭示的大气动力学（如风场、自转、逃逸）特征是什么？
• RQ5 包含热电离与旋转效应的理论模型，对观测透射光谱的拟合效果如何？

主要发现

• Na D1线的对比度为0.42 ± 0.03%，FWHM为1.63 ± 0.13 Å，等效宽度为(7.29 ± 1.43) × 10⁻³ Å。
• Na D2线的对比度为0.38 ± 0.04%，FWHM为1.87 ± 0.22 Å，等效宽度为(7.56 ± 2.38) × 10⁻³ Å。
• Na D线轮廓的展宽（速度空间中FWHM ~80.7 ± 7.9 km/s）大于以往研究结果，表明存在超出自转效应的大气风场。
• 最佳拟合的等温模型显示，不考虑旋转时温度为3700 K，考虑旋转时为4200 K，两者均显著高于约2160 K的平衡温度。
• 观测到的线轮廓不对称性与蓝移现象支持昼夜大气化学差异，与夜晚侧铁的凝结过程一致。
• 模型比较表明，包含旋转与热电离的等温模型拟合效果最佳，卡方减少值分别为0.38（Fadd）与0.48（EMC）。”