외계 행성 WASP의 초기 출시 과학

Nature 614권, 659~663페이지(2023)이 기사 인용

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측정항목 세부정보

외행성의 투과 분광학1,2,3을 통해 수십 개의 외행성 대기4,5에서 수증기, 에어로졸 및 알칼리 금속의 특징이 밝혀졌습니다. 그러나 허블 우주망원경과 스피처 우주망원경을 이용한 이러한 이전의 추론은 관측의 상대적으로 좁은 파장 범위와 스펙트럼 분해능으로 인해 방해를 받았고, 이로 인해 다른 화학종, 특히 주요 탄소 함유 분자를 명확하게 식별할 수 없었습니다6,7. 여기에서는 JWST Transiting Exoplanet Community Early Release의 일부로 JWST NIRSpec의 PRISM mode9를 사용하여 측정한 1,200K, 대략 토성 질량, 목성 반경 외계 행성인 WASP-39b8의 넓은 파장 0.5-5.5μm 대기 전송 스펙트럼을 보고합니다. 과학팀 프로그램10,11,12. 우리는 Na(19σ), H2O(33σ), CO2(28σ) 및 CO(7σ)를 포함하여 중요도가 높은 여러 화학종을 강력하게 감지합니다. 강력한 CO2 특성과 결합된 CH4의 비검출은 초태양 대기 금속성을 지닌 대기 모델을 선호합니다. 4μm의 예상치 못한 흡수 특성은 대기 광화학의 추적자가 될 수 있는 SO2(2.7σ)로 가장 잘 설명됩니다. 이러한 관찰은 JWST가 외계 행성의 다양한 구성과 화학적 과정에 민감하다는 것을 보여줍니다.

우리는 2022년 7월 10일에 JWST Transiting Exoplanet Community Early Release Science Program(ERS 프로그램 1366)의 일환으로 PRISM 모드를 사용하여 JWST의 근적외선 분광기(NIRSpec)9,13를 사용하여 WASP-39b의 통과 1건을 관찰했습니다(PI: Natalie 바탈하, 제이콥 빈, 케빈 스티븐슨)10,11. 이러한 관찰은 20~300의 기본 분해능에서 0.5~5.5μm 파장 범위를 포괄합니다. WASP-39b는 이전의 우주 및 지상 기반 관찰에서 강력한 알칼리 금속 흡수와 여러 두드러진 H2O 밴드4,6,14,15,16를 밝혀낸 강력한 신호 대 잡음 비율로 인해 이 JWST-ERS 프로그램에 선택되었습니다. JWST로 얻을 수 있습니다. 그러나 기존 투과 스펙트럼(0.3~1.65μm, 3.6 및 4.5μm의 두 개의 넓은 광도 측정 스피처 채널과 결합)의 제한된 파장 범위로 인해 몇 가지 중요한 문제가 해결되지 않았습니다. WASP-39b의 대기 금속성(수소나 헬륨보다 무거운 모든 가스의 상대적 존재비를 측정하는 척도)에 대한 이전 추정치는 4배 정도 다양합니다6,16,17,18,19,20. 금속성의 정확한 측정은 형성 경로를 설명하고 행성의 역사에 대한 더 큰 통찰력을 제공할 수 있습니다21. 여기에 제시된 JWST NIRSpec PRISM 관측은 이전에 가능했던 것보다 WASP-39b의 대기 구성에 대한 더 자세한 보기를 제공합니다(이 데이터의 초기 적외선 분석은 참조 21 참조).

우리는 행성 대기에 의한 파장 의존적 흡수, 즉 밀리바 압력 근처에서 행성의 낮-밤 터미네이터 영역을 조사하는 투과 스펙트럼을 추출하기 위해 통과 이벤트를 중심으로 8.23시간에 걸쳐 시계열 분광학을 얻었습니다. 우리는 BOTS(Bright Object Time Series) 모드에서 NIRSpec PRISM을 사용했습니다. WASP-39는 유효 온도가 5,400K인 밝고 근처에 있으며 상대적으로 활동이 없는22 G7형 별입니다(참조 8). WASP-39의 J-밴드 크기 10.66은 PRISM의 포화 한계에 가까워지므로 과거 측정(방법)과 비교하여 결과 과학의 품질에 대한 포화 효과를 테스트할 수 있습니다.

FIREFLy(Fast InfraRed Exoplanet Fitting for Lightcurves)23를 사용한 기준선 축소에서는 jwst Python 파이프라인12을 사용하여 원시 데이터에 대한 보정을 수행한 다음 불량 픽셀과 우주선을 식별하고 수정합니다. 정확한 기울기 피팅을 보장하기 위해 통합 수준이 아닌 그룹 수준에서 1/f 노이즈9를 완화합니다. 이는 통합당 소수의 그룹으로 NIRSpec PRISM 관찰을 위한 중요한 단계인 것으로 나타났습니다.

결과 분광 광도계를 파장으로 비닝하여 각각 대략 동일한 개수를 갖는 207개의 가변 폭 스펙트럼 채널을 생성합니다. 그림 1은 상단 패널의 이 단계에서 FIREFLy 백색 및 분광광도계 광도 곡선을 보여줍니다. 여러 가지 흡수 특징이 2차원(2D) 광 곡선(그림 1)의 통과 영역 내에서 더 어두운 가로 줄무늬로 눈으로 볼 수 있으며, 이는 PRISM 관찰 모드로 달성한 원시 분광 광도계의 높은 품질을 보여줍니다.