Inferring Atmospheric Characteristics From Transiting Exoplanets
Jean-Michel Désert Caltech - Sagan Fellow Sagan Summer School, July 26th 2012 jeudi 26 juillet 2012 Inferring Atmospheric Characteristics From Transiting Exoplanets
Image credit: THIERRY LEGAULT
Jean-Michel Désert Caltech - Sagan Fellow Sagan Summer School, July 26th 2012 jeudi 26 juillet 2012 Inferring Atmospheric Characteristics From Transiting Exoplanets
Image credit: THIERRY LEGAULT
Jean-Michel Désert Caltech - Sagan Fellow Sagan Summer School, July 26th 2012 jeudi 26 juillet 2012 I) From Transits (Eclipses) Depths to Atmospheric Signals
II) Pushing Observational Limits
III) New Frontiers for Atmospheric Studies
4 jeudi 26 juillet 2012 Atmospheric Structure
jeudi 26 juillet 2012 Atmospheric Structure
[Adapted from Fortney 2008] jeudi 26 juillet 2012 HD209458b: 12 years of transits
★ First transit: 2 -2 (Rp /R* ) ~ 10 [ Charbonneau et al. 2000] ~ 1.6% [ Henry et al. 2000]
1.27±0.02 Rjup
Updated from Winn et al. (2008) 7 jeudi 26 juillet 2012 HD209458b: 12 years of transits
★ First transit: 2 -2 (Rp /R* ) ~ 10 [ Charbonneau et al. 2000] ~ 1.6% [ Henry et al. 2000]
1.27±0.02 Rjup
Updated from Winn et al. (2008) 7 jeudi 26 juillet 2012 HD209458b: 12 years of transits
★ First transit: 2 -2 (Rp /R* ) ~ 10 [ Charbonneau et al. 2000] ~ 1.6% [ Henry et al. 2000]
1.27±0.02 Rjup ★ First atmosphere: 2 -4 (atm /R* ) ~ 10 NaI 0.0232 ± 0.0057 %
[ Charbonneau et al. 2002]
Updated from Winn et al. (2008) 7 jeudi 26 juillet 2012 HD209458b: 12 years of transits
★ First transit: 2 -2 (Rp /R* ) ~ 10 [ Charbonneau et al. 2000] ~ 1.6% [ Henry et al. 2000]
1.27±0.02 Rjup ★ First atmosphere: 2 -4 (atm /R* ) ~ 10 NaI 0.0232 ± 0.0057 %
[ Charbonneau et al. 2002]
★ Exosphere
H ~ 15 ± 4%
[ Vidal-Madjar et al. 2003]
Updated from Winn et al. (2008) 7 jeudi 26 juillet 2012 HD209458b: 12 years of transits
★ First transit: 2 -2 (Rp /R* ) ~ 10 [ Charbonneau et al. 2000] ~ 1.6% [ Henry et al. 2000]
1.27±0.02 Rjup ★ First atmosphere: 2 -4 (atm /R* ) ~ 10 NaI 0.0232 ± 0.0057 %
[ Charbonneau et al. 2002]
★ Exosphere
H ~ 15 ± 4%
[ Vidal-Madjar et al. 2003]
★ First direct lights: 2 -3 Tp /T*(Rp /R* ) ~ 10
TB (24 µm)~ 1130 ± 150 K
[ Deming et al. 2005] Updated from Winn et al. (2008) 7 jeudi 26 juillet 2012 HD209458b: 12 years of transits
★ First transit: 2 -2 (Rp /R* ) ~ 10 [ Charbonneau et al. 2000] ~ 1.6% [ Henry et al. 2000]
1.27±0.02 Rjup
Updated from Winn et al. (2008) 8 jeudi 26 juillet 2012 HD209458b: 12 years of transits
★ First transit: 2 -2 (Rp /R* ) ~ 10 [ Charbonneau et al. 2000] ~ 1.6% [ Henry et al. 2000]
1.27±0.02 Rjup
Updated from Winn et al. (2008) 8 jeudi 26 juillet 2012 HD209458b: 12 years of transits
★ First transit: 2 -2 (Rp /R* ) ~ 10 [ Charbonneau et al. 2000] ~ 1.6% [ Henry et al. 2000]
1.27±0.02 Rjup ★ First atmosphere: 2 -4 (atm /R* ) ~ 10 NaI 0.0232 ± 0.0057 %
[ Charbonneau et al. 2002]
Updated from Winn et al. (2008) 8 jeudi 26 juillet 2012 HD209458b: 12 years of transits
★ First transit: 2 -2 (Rp /R* ) ~ 10 [ Charbonneau et al. 2000] ~ 1.6% [ Henry et al. 2000]
1.27±0.02 Rjup ★ First atmosphere: 2 -4 (atm /R* ) ~ 10 NaI 0.0232 ± 0.0057 %
[ Charbonneau et al. 2002]
★ Exosphere
H ~ 15 ± 4%
[ Vidal-Madjar et al. 2003]
Updated from Winn et al. (2008) 8 jeudi 26 juillet 2012 HD209458b: 12 years of transits
★ First transit: 2 -2 (Rp /R* ) ~ 10 [ Charbonneau et al. 2000] ~ 1.6% [ Henry et al. 2000]
1.27±0.02 Rjup ★ First atmosphere: 2 -4 (atm /R* ) ~ 10 NaI 0.0232 ± 0.0057 %
[ Charbonneau et al. 2002]
★ Exosphere
H ~ 15 ± 4%
[ Vidal-Madjar et al. 2003]
★ First direct lights: 2 -3 Tp /T*(Rp /R* ) ~ 10
TB (24 µm)~ 1130 ± 150 K
[ Deming et al. 2005] Updated from Winn et al. (2008) 8 jeudi 26 juillet 2012 Probing Transiting Exoplanet Atmospheres Reflected:
Emitted:
Transmitted:
jeudi 26 juillet 2012 Probing Transiting Exoplanet Atmospheres Reflected:
Emitted:
Hot-Jupiters Transmitted: - Albedo, Temperature - Thermal profile - Composition - Dynamics
jeudi 26 juillet 2012 Transmission Spectroscopy
ΔF/F= (Fout – Fin) / Fout Transit depth
2 ΔF/F= (Rp /R* )
b = a/R cosi *
jeudi 26 juillet 2012 Transmission Spectroscopy
ΔF/F= (Fout – Fin) / Fout Transit depth
2 ΔF/F= (Rp /R* ) Rp = Rc + zatm
b = a/R cosi *
jeudi 26 juillet 2012 Transmission Spectroscopy
ΔF/F= (Fout – Fin) / Fout Transit depth
2 ΔF/F= (Rp /R* ) Rp = Rc + zatm
RJup ~1 % ~0.01 % b = a/R cosi R ~0.01 % ~10-5 * ⊕
jeudi 26 juillet 2012 Transmission Spectroscopy
ΔF/F= (Fout – Fin) / Fout Transit depth
2 ΔF/F= (Rp /R* ) Rp(λ) = Rc + zatm(λ)
RJup ~1 % ~0.01 % b = a/R cosi R ~0.01 % ~10-5 * ⊕
jeudi 26 juillet 2012 Transmission Spectroscopy
ΔF/F= (Fout – Fin) / Fout Transit depth
2 ΔF/F= (Rp /R* ) Rp(λ) = Rc + zatm(λ)
R ~1 % ~0.01 % ΔF/F(λ)=> λ Jup Rp( ) -5 b = a/R cosi R ~0.01 % ~10 * ⊕
jeudi 26 juillet 2012 Transmission Spectroscopy
ΔF/F= (Fout – Fin) / Fout Transit depth
2 ΔF/F= (Rp /R* ) Rp(λ) = Rc + zatm(λ)
R ~1 % ~0.01 % ΔF/F(λ)=> λ Jup Rp( ) -5 b = a/R cosi R ~0.01 % ~10 * ⊕
Berta et al. (2011)
jeudi 26 juillet 2012 Transmission Spectroscopy
-τ I0 I=I0e
12 jeudi 26 juillet 2012 Transmission Spectroscopy
Lecavelier et al. (2008) 13 jeudi 26 juillet 2012 Transmission Spectroscopy
z(λ)
Lecavelier et al. (2008) 13 jeudi 26 juillet 2012 Transmission Spectroscopy
z(λ)
Lecavelier et al. (2008) 13 jeudi 26 juillet 2012 Transmission Spectroscopy
z(λ)
Scale Height H(z) = kT(z)/μg
Lecavelier et al. (2008) 13 jeudi 26 juillet 2012 Transmission Spectroscopy
z(λ)
Scale Height H(z) = kT(z)/μg
Hydrostatic equilibrium:
Lecavelier et al. (2008) 13 jeudi 26 juillet 2012 Transmission Spectroscopy
z(λ)
Scale Height H(z) = kT(z)/μg
Hydrostatic equilibrium: What do we measure?
Lecavelier et al. (2008) 13 jeudi 26 juillet 2012 Transmission Spectroscopy
z(λ)
Scale Height H(z) = kT(z)/μg
Hydrostatic equilibrium: What do we measure? (λ)
Lecavelier et al. (2008) 13 jeudi 26 juillet 2012 Transmission Spectroscopy
z(λ)
Scale Height H(z) = kT(z)/μg
Hydrostatic equilibrium: What do we measure? (λ) => ∆Rp = H ∆ln(σ)
Lecavelier et al. (2008) 13 jeudi 26 juillet 2012 Transmission Spectroscopy
z(λ)
Scale Height H(z) = kT(z)/μg
Hydrostatic equilibrium: What do we measure? (λ) => ∆Rp = H ∆ln(σ) To remember: Lecavelier et al. (2008) Rpl(λ) => f(P , T, n) 13 ∆Rpl(λ) => T jeudi 26 juillet 2012 Transiting Exoplanets
10 ( )
1 Planet Radius
0.01 0.1 1 Semi-major axis (AU)
14 jeudi 26 juillet 2012 Emission Measurements (IR)
10 ( )
1 Planet Radius
0.01 0.1 1 Semi-major axis (AU)
jeudi 26 juillet 2012 Transmission Measurements (XEUV -> IR)
10 ( )
1 Planet Radius
0.01 0.1 1 Semi-major axis (AU)
16 jeudi 26 juillet 2012 Hot-Jupiters Survey Transmission Spectroscopy Space-based Surveys:
HST-WFC3 13 Hot-Jupiters (PI: D. Deming) 10 ( ) HST-STIS 13 Hot-Jupiters (PI: D. Sing)
1 Planet Radius
0.01 0.1 1 Semi-major axis (AU)
17 jeudi 26 juillet 2012 Hot-Jupiters Survey Transmission Spectroscopy Space-based Surveys:
HST-WFC3 13 Hot-Jupiters (PI: D. Deming) 10 ( ) HST-STIS 13 Hot-Jupiters (PI: D. Sing)
Ground-based Surveys: 1 Planet Radius NIR: Magellan (PI: JM Désert / J. Bean) 0.01 0.1 1 Semi-majorOptical: axis Gemini (AU) (PI: JM Désert)
18 jeudi 26 juillet 2012 Transmission Measurements (XEUV -> IR)
10 ( )
1 Planet Radius
0.01 0.1 1 Semi-major axis (AU)
19 jeudi 26 juillet 2012 M-dwarfs Opportunity
10 ( )
1 Planet Radius
0.01 0.1 1 Semi-major axis (AU)
20 jeudi 26 juillet 2012 GJ-1214b
GJ-1214b Charbonneau et al. (2009) +/-0.13 2.7 REarth +/-0.93 6.5 MEarth 10 560 K ( )
1 Planet Radius
0.01 0.1 1 Semi-major axis (AU)
21 jeudi 26 juillet 2012 Transmission Spectroscopy of GJ1214b
Désert et al. (2011)
CH4 I Models By E. Kempton :
Bean et al. (2010)
jeudi 26 juillet 2012 GJ1214b: Distinguishing H-rich/H-poor atmospheres
Désert et al. (2011)
CH4 I Models By E. Kempton : Large H
Bean et al. (2010)
Small H
jeudi 26 juillet 2012 GJ1214b: Distinguishing H-rich/H-poor atmospheres
Désert et al. (2011)
CH4 I Models By E. Kempton : Large H
Bean et al. (2010)
Rogers & Seager (2010) Small H
Large H Small H Large H jeudi 26 juillet 2012 Transmission Spectroscopy of GJ1214b
Désert et al. (2011)
CH4 I
H2O H2O I I
Bean et al. (2010)
jeudi 26 juillet 2012 Transmission Spectroscopy of GJ1214b
Désert et al. (2011) J H K
H2O H2O I I
Bean et al. (2010)
jeudi 26 juillet 2012 Transmission Spectroscopy of GJ1214b
Désert et al. (2011) J H K
H2O H2O I I
Bean et al. (2010)
HST/WFC3
jeudi 26 juillet 2012 Transmission Spectroscopy of GJ1214b
Désert et al. (2011) J H K
H2O H2O I I
Bean et al. (2010)
HST/WFC3
Berta et al. (2011)
jeudi 26 juillet 2012 Transmission Spectroscopy of GJ1214b
Désert et al. (2011) J H K
H2O H2O I I
Bean et al. (2010)
HST/WFC3
jeudi 26 juillet 2012 Hot-Jupiters Survey with HST/WFC3 Sukrit Ranjan (CfA)
jeudi 26 juillet 2012 Hot-Jupiters Survey with HST/WFC3 Sukrit Ranjan (CfA)
Ranjan et al. (in prep) jeudi 26 juillet 2012 WASP-4b HST/WFC3
Ranjan et al. (in prep) jeudi 26 juillet 2012 Ground-Based Observations of Exoplanet Atmospheres with the MOS Technique
• Optical: Gemini (PI: JM Désert) • NIR: Magellan (PI: JM Désert / J. Bean)
jeudi 26 juillet 2012 Ground-Based Observations
Redfield et al. (2008) Croll et al. (2010)
Transit HD189733b Eclipse TrES-2b
jeudi 26 juillet 2012 The Multi-Object Spectroscopy Technique
Bean et al. (2010)
Transits GJ1214b
jeudi 26 juillet 2012 Transmission Spectroscopy of GJ1214b
H2O H2O I I
Bean et al. (2010)
jeudi 26 juillet 2012 Transmission Spectroscopy of GJ1214b
J H K
H2O H2O I I
Bean et al. (2010)
Magellan/MMIRS
jeudi 26 juillet 2012 Multi-Object Spectroscopy (GJ1214b, Magellan/MMIRS)
Bean, Désert et al. (2011)
6.9 Arcmin
Slit-mask
jeudi 26 juillet 2012 Multi-Object Spectroscopy (GJ1214b, Magellan/MMIRS)
Bean, Désert et al. (2011)
6.9 Arcmin
1.2 2.5 Slit-mask
jeudi 26 juillet 2012 Multi-Object Spectroscopy (GJ1214b, Magellan/MMIRS)
Bean, Désert et al. (2011)
6.9 Arcmin
1.2 2.5 Slit-mask
jeudi 26 juillet 2012 Multi-Object Spectroscopy (GJ1214b, Magellan/MMIRS)
Bean, Désert et al. (2011) J H K 6.9 Arcmin
1.2 2.5 Slit-mask
jeudi 26 juillet 2012 Multi-Object Spectroscopy (GJ1214b, Magellan/MMIRS)
Bean, Désert et al. (2011)
jeudi 26 juillet 2012 Multi-Object Spectroscopy (GJ1214b, Magellan/MMIRS)
Bean, Désert et al. (2011)
Control systematics
1.2 2.5
jeudi 26 juillet 2012 Multi-Object Spectroscopy (GJ1214b, Magellan/MMIRS)
Bean, Désert et al. (2011)
Control systematics
1.2 2.5
jeudi 26 juillet 2012 Multi-Object Spectroscopy (GJ1214b, Magellan/MMIRS)
Bean, Désert et al. (2011)
Control systematics
jeudi 26 juillet 2012 Multi-Object Spectroscopy (GJ1214b, Magellan/MMIRS)
Bean, Désert et al. (2011)
K-band
jeudi 26 juillet 2012 Multi-Object Spectroscopy (GJ1214b, Magellan/MMIRS)
Bean, Désert et al. (2011)
jeudi 26 juillet 2012 Multi-Object Spectroscopy (GJ1214b, Magellan/MMIRS)
Bean, Désert et al. (2011)
jeudi 26 juillet 2012 Multi-Object Spectroscopy (GJ1214b, Magellan/MMIRS)
J H K
- 50% times photon noise , or > - Uncontrolled systematics Bean, Désert et al. (2011)
jeudi 26 juillet 2012 Immediate Goals: Comparative exoplanetology of Hot-Giants: Surveys of HJs on Magellan (NIR) and Gemini (Visible) with MOS technique
Ultimate Goals: Low-Mass Planets Around Low-Mass-Stars
Main Challenges: Understanding and Controlling Instrumental and Astrophysical Systematics.
jeudi 26 juillet 2012 III) New Frontiers in Observations of Exoplanet Atmospheres
51 jeudi 26 juillet 2012 New Frontiers
52 jeudi 26 juillet 2012 New Frontiers
Comparative exoplanetology of hot-Jupiters
53 jeudi 26 juillet 2012 New Frontiers Super-Earths Comparative around low exoplanetology mass stars of hot-Jupiters
54 jeudi 26 juillet 2012 New Frontiers Super-Earths Comparative around low exoplanetology mass stars of hot-Jupiters
Kepler Transiting planets
55 jeudi 26 juillet 2012 New Frontiers Super-Earths Comparative around low exoplanetology mass stars of hot-Jupiters
Kepler Transiting Transiting planets in front planets of bright stars
56 jeudi 26 juillet 2012 Atmospheric Studies in the Era of Kepler
jeudi 26 juillet 2012 Atmospheric Studies in the Era of Kepler
• Hot Jupiters (Reflected light, Phase-curves, etc...) • Combining IR+Vis. (Désert et al. 2011c,d, Fortney et al. 2011) • Hot Super-Earth (e.g. Batalha et al. 2010: Kepler-10b) • Gas giants at larger orbital distances than HJs
jeudi 26 juillet 2012 Finding transiting planets around bright stars • MEarth • KELT (KELT 2Ab :Beatty et al. 2012) • e.g. TERMS, MASCARA • MOST • ExoplanetSat (S. Seager) • TESS / PLATO
jeudi 26 juillet 2012 Finding transiting planets around bright stars
• MEarth • KELT (KELT 2Ab :Beatty et al. 2012) • e.g. TERMS, MASCARA • MOST • ExoplanetSat (S. Seager) • TESS / PLATO Difficult to apply the MOS technique!
jeudi 26 juillet 2012 The End
jeudi 26 juillet 2012