Inferring Atmospheric Characteristics From Transiting

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 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 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