[论文解读] Transit spectrophotometry of the exoplanet HD189733b. I. Searching for water but finding haze with HST NICMOS

David K. Sing, Jean-Michel Désert+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2009

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 44被引用 112

一句话总结

本研究利用哈勃空间望远镜NICMOS的窄带测光观测HD189733b的凌星现象，以在近红外波段搜寻大气水汽。尽管目标是探测H2O吸收特征，但数据在95%置信水平下未显示显著的H2O特征，反而表明亚微米尺度霾颗粒的瑞利散射主导了0.5至2 μm波段的透射谱，从而掩盖了这些波长下的分子特征。

ABSTRACT

We present Hubble Space Telescope near-infrared transit photometry of the nearby hot-Jupiter HD189733b. The observations were taken with the NICMOS instrument during five transits, with three transits executed with a narrowband filter at 1.87 microns and two performed with a narrowband filter at 1.66 microns. Our observing strategy using narrowband filters is insensitive to the usual HST intra-orbit and orbit-to-orbit measurement of systematic errors, allowing us to accurately and robustly measure the near-IR wavelength dependance of the planetary radius. Our measurements fail to reproduce the Swain et al. absorption signature of atmospheric water below 2 microns at a 5-sigma confidence level. We measure a planet-to-star radius contrast of 0.15498+/-0.00035 at 1.66 microns and a contrast of 0.15517+/-0.00019 at 1.87 microns. Both of our near-IR planetary radii values are in excellent agreement with the levels expected from Rayleigh scattering by sub-micron haze particles, observed at optical wavelengths, indicating that upper-atmospheric haze still dominates the near-IR transmission spectra over the absorption from gaseous molecular species at least below 2 microns.

研究动机与目标

• 利用哈勃空间望远镜NICMOS窄带测光精确测量HD189733b的近红外行星半径。
• 检验此前Swain等人（2008年）报告的、低于2 μm波段的大气水汽吸收特征是否存在。
• 确定上层大气霾或气态分子物种在近红外透射谱中占主导地位。
• 通过使用窄带滤光片，评估系统误差存在时近红外凌星测光的稳健性。
• 为詹姆斯·韦伯空间望远镜未来对系外行星大气的观测提供关键基准。

提出的方法

• 利用哈勃空间望远镜NICMOS在1.66 μm和1.87 μm波段的两个窄带滤光片，进行了五次凌星观测，以最大限度减少系统误差。
• 采用对轨道内及轨道间系统误差不敏感的测光策略，此类误差在光谱模式中常见。
• 以高精度测量各波长下的行星与恒星半径对比度，不确定性分别为±0.00035和±0.00019。
• 将测得的半径与亚微米霾颗粒瑞利散射的预测值及包含H2O吸收的模型进行比较。
• 利用半径对比度的波长依赖性推断颗粒大小分布和消光来源。
• 评估与先前Swain等人（2008年）光谱数据的一致性，排除极端光谱边缘以检验与霾模型的兼容性。

实验结果

研究问题

• RQ1 HD189733b的近红外透射谱是否在2 μm以下显示出可探测的大气水汽吸收特征？
• RQ2 亚微米尺度霾颗粒在多大程度上主导了HD189733b的近红外透射谱？
• RQ3 此前Swain等人（2008年）报告的H2O吸收特征是否对系统误差污染具有鲁棒性？
• RQ4 基于行星半径的波长依赖性，上层大气霾的推断颗粒大小分布是什么？
• RQ5 窄带测光结果与哈勃望远镜和斯皮兹勒望远镜的宽带光谱测量结果相比如何？

主要发现

• 在1.66 μm处的行星与恒星半径对比度为0.15498 ± 0.00035，在1.87 μm处为0.15517 ± 0.00019，显示无显著波长依赖性。
• 观测到的半径与亚微米霾颗粒瑞利散射的预测值高度一致，而非H2O吸收。
• 本研究在95%置信水平下排除了2 μm以下存在H2O吸收特征的可能性，挑战了Swain等人（2008年）的发现。
• 数据表明，Swain等人（2008年）报告的光谱特征很可能是残余系统误差所致，尤其在光谱边缘处。
• 霾分布中最大颗粒尺寸被限制在0.009–0.086 μm之间，与MgSiO3凝结物一致。
• 从霾主导过渡到气体主导的透射谱发生在2至3 μm之间，因为斯皮兹勒IRAC测光显示在3 μm以上半径更大。