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在系外行星55 Cancri e的透射光谱中寻找钠和钙的外逸层

DOI:10.1051/0004-6361/201628448 期刊:Astronomy & Astrophysics 出版年份:2016 更新时间:2025-09-09 09:28:46
摘要: 背景:对岩质行星大气与表面特征的研究是系外行星科学的关键目标。遗憾的是,当前仪器设备通常难以实现相关测量。但太阳系内的水星拥有由溅射过程从行星表面抛射出的原子物质构成的巨大外逸层。目前已知最热的岩质系外行星与其母恒星的距离比水星与太阳的距离近一个数量级以上,因此溅射过程及由此产生的外逸层可能大数个量级,有望通过透射光谱法间接探测其表面成分。 目标:本研究旨在搜寻热岩质超级地球55 Cancri e光学透射光谱中外逸层钠(Na)和单电离钙(Ca+)的吸收信号。虽然当前最佳拟合行星质量与半径模型需要可能存在大气成分,但半径参数存在不确定性,意味着55 Cancri e也可能是无大气层的炽热岩质行星。 方法:分析三台望远镜(UVES/VLT、HARPS/ESO 3.6米和HARPS-N/TNG)获取的五次凌星高分辨率(R~110,000)时序光谱。针对钠D线和钙H/K线,利用行星轨道速度径向分量在凌星期间从-57至+57 km/s的变化,从更强的恒星与地球大气信号中分离潜在行星外逸层信号。 结果:综合五组凌星数据,在3σ统计显著性水平检测到可能与行星外逸层钠相关的信号;整合覆盖钙H/K线的四次HARPS凌星数据,还发现电离钙的潜在信号(4.1σ)。值得注意的是,后者源自单次凌星测量——该时段检测达到4.9σ。但由于钠信号显著性较低且Ca+信号可能变化,我们估算这些信号的p值过高(对应<4σ),无法确认明确的外逸层探测。通过与分析初期注入的人造信号对比,估算Na和Ca+的吸收强度分别约为恒星光谱的2.3×10?3和7.0×10?2量级。 结论:若获证实,3σ信号将对应半径5倍地球半径的光学厚钠外逸层,与行星洛希瓣半径相当。单组HARPS数据中4.9σ的Ca+检测将对应约五倍洛希瓣半径的光学厚Ca+外逸层,若真实存在则表明外逸层具有极端变异性。尽管未获得正式探测结果,我们仍主张此类探测方法极具潜力——尤其考虑到水星外逸层随时间显著变化。这可能是首次表征这类神秘行星表面特性的快速途径。
作者: A. R. Ridden-Harper,I. A. G. Snellen,C. U. Keller,R. J. de Kok,E. Di Gloria,H. J. Hoeijmakers,M. Brogi,M. Fridlund,B. L. A. Vermeersen,W. van Westrenen
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研究概述 实验方案 设备清单

本研究的目的是在热岩质超级地球55 Cancri e的光学透射光谱中,搜寻来自外逸层钠(Na)和单电离钙(Ca+)的吸收信号。

若该3σ信号得到确认,将对应一个光学厚度较大的钠外逸层,其半径达5倍地球半径(5 R⊕),与这颗行星的洛希瓣半径相当。单组HARPS数据中检测到的4.9σ钙离子(Ca+)信号,则表明存在一个光学厚度较高、尺寸约为洛希瓣半径五倍的钙离子外逸层。尽管尚未获得正式检测结果,但以这种方式探测热超级地球的外逸层,对于表征这类神秘行星的表面特性具有重要潜力。

测量到的钠信号显著性较低,且钙离子信号可能存在变化(p值对应<4σ),因此无法明确宣称检测到了外逸层。由于曝光期间行星轨道速度径向分量的变化,任何潜在行星信号的谱分辨率都会被展宽。

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