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arXiv:1907.05906
dos Santos et al. (2019)
The Hubble PanCET program: an extensive search for metallic ions in the exosphere of GJ 436 b
(The Hubble PanCET program:GJ 436b の外気圏中の金属イオンの広範な探索)

概要

静穏な M2.5 星である GJ 436 は温暖な海王星質量の惑星 GJ 436b を持ち,その惑星は自身の主星を上回る大きく広がった大気を持つ.このような惑星での大気散逸は,水素原子は高層大気から衝突レジームで散逸し,大気の流れは高層大気中に重い元素を引きずることを予測する.しかし,この過程を駆動する天体物理学機構は不明瞭である.

ここでは,ハッブル宇宙望遠鏡の COS を用いた遠紫外線での GJ 436 のスペクトルを取得し,惑星の高層大気中に金属イオンのシグナルが存在するかどうかを探査した.また同時に,恒星活動に誘起される恒星の変動を研究した.

GJ 436 の遠紫外線スペクトルを解析し,地球の夜側付近で得られた COS のライマンアルファ線における地球コロナによる混入を除去した.GJ 436 のフレアイベントは 1 日あたりおよそ 10 回であり,最大で 20% の振幅で恒星の遠紫外線金属線を変調させる,おそらくは長寿命の活動領域もしくは経度の証拠が得られた.

COS で取得されたデータには地球コロナによる強い混入があるものの,ライマンアルファ線の青い側と赤い側で,~50% と ~30% の超過吸収シグナルが得られた.トランジットの最中の金属線の超過吸収水準は広い範囲において否定された

ライマンアルファ線の透過スペクトルで観測された GJ 436b の大きな大気散逸は数年のタイムスケールに渡って安定であり,赤い側のシグナルは,安定な外気圏のそばににある変動する水素吸収源の存在を支持する.

また,過去に存在が主張されたトランジット中の Si III 線の吸収は,おそらくは恒星の時期サイクルからくる artifact である.

金属イオンの吸収が検出されなかったことは,惑星からの大気散逸は流体力学的でないか,あるいは検出可能な十分なイオンの散逸率を実現するための,金属粒子の引きずりにおける大気の混合が効率的ではないことを示唆している.

観測結果と考察

ライマンアルファ線と金属イオンの特徴

ライマンアルファ線の blue wing でのトランジットは,過去の報告と同様に 50% 近い深い吸収を示した.これは blue wing での超過吸収は数年に渡って安定であることを示唆している.

さらに red wing でも 30% 程度の深い吸収が見られた観測があった (2018年1月後半の観測).これは Lavie et al. (2017) での報告よりも深く,また位相もシフトしている.しかしその他のトランジットでは再現されず,これは一時的な現象,場合によっては急激な現象である可能性もある.

また今回の観測波長の中ににはいくつかの金属イオンの線が存在するが,これらのイオンが散逸していることを示す兆候は得られなかった.特に,ライマンアルファ線と同様に非対称トランジットを仮定した場合,C II と N V の波長では,それぞれ 95% の信頼度で 12% と 11% 以上の吸収深さであることを否定する結果となり,これは Loyd et al. (2017) と整合的である.

一方で,Lavie et al. (2017) で報告された Si III の検出の兆候は見られなかった.これは,2015 年以降に GJ 436 の Si III フラックスが増加したことによって引き起こされた可能性がある.これは恒星の磁気活動サイクルと一致する.惑星の高層大気中のケイ素イオンの存在にさらに強い制約を与えるためには,今後の大きな観測的努力が必要だろう.

GJ 436b の大気の特性

GJ 436b の大気についてはまだ分からない点が多い.
遠紫外線透過スペクトルは惑星の高層大気の情報を与えてくれるが,一方で可視光と赤外線スペクトルでは低層大気を追うことができる.可視光での透過スペクトルは特徴を欠いており,この惑星大気が高金属量の大気を持つのか,あるいは雲の多い大気を持つのかは完全には明確ではない (Lothringer et al. 2018).スピッツァー宇宙望遠鏡の 3.6, 4.5, 8 µm での観測では,この惑星は金属豊富な大気で,メタンが欠乏し,CO/CO2 が多い大気とすると整合的であると結論付けている (Lanotte et al. 2014).

今回の観測で金属元素が外気圏中に検出されなかったこと,とくにケイ素が発見されなかったことは,この惑星がもし雲の多い大気を持ち,大気散逸が流体力学的である場合,昇華を起こして金属イオンを散逸させるのに十分なほどの,重元素の引きずりにおけるケイ素豊富な雲の効率的な混合が発生していないことを示唆している.
一方で,ケイ素が非検出であったことから,静水力学的な散逸過程を否定することは出来ない.

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