摘要
在热木星(相对于它们的主恒星)中，测量大气中的碳(C)和氧(O)相对于氢(H)，可以洞察它们的形成位置和随后的轨道迁移1，2．热木星形成于主要挥发物(H2O /公司/股份有限公司2)冰线和盘状耗散后的迁移预测大气碳氧比(C/O)接近1和亚太阳金属率2，而在耗散前穿过该盘的行星被预测会被下落的富含O的冰冻星子严重污染，导致C/O < 0.5和超太阳金属率1，2．以前对热木星的观测已经能够对H2O(参考文献。3.，4，5)或CO(参考。6，7)，但对于同一颗行星来说，两者并不相同，因此存在不确定性4真正的元素C和O存量以及随后的C/O和金属丰度测定。在这里，我们报道了一个典型的过境热木星WASP-77Ab的光谱观测。由此，我们确定了大气气体体积混合比的约束条件2O和CO (9.5 × 10−5-1.5×10−41.2 × 10−4-2.6×10−4分别)。根据这些有限的约束条件，我们能够推导出大气C/H (\ ({0.35} _ {-0.10} ^ {+ 0.17} \)×太阳能)和O/H (\ ({0.32} _ {-0.08} ^ {+ 0.12} \)大气碳氧比(C/O = 0.59±0.08;太阳值为0.55)。亚太阳能(C+O)/H (\ ({0.33} _ {-0.09} ^ {+ 0.13} \)×太阳)表明，与类木行星所预期的相比，大气层中金属含量较少1而C/O的近太阳值则排除了无盘迁移/富C2大气的场景。
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数据可用性
原始PLP提取的IGRINS数据文件和后续数据产品在这里:https://www.dropbox.com/sh/0cxfolfmrs8ip37/AABZYoHr8nuRlHJG84dArX4ea?dl=0．
代码的可用性
仪器团队用于进行初始还原和提取的IGRINS PLP可在https://github.com/igrins/plp．重心校正和行星相位计算是使用python astropy库在这里找到的https://www.astropy.org/．文中提到了Python numpy特定的工具(例如，用于PCA的SVD)。化学丰度分析/物理合理性评估使用VULCAN化学动力学工具。（https://github.com/exoclime/VULCAN)．吸收横截面使用HELIOS-K工具生成(https://helios-k.readthedocs.io/en/latest/)．最后，我们提供了一个端到端python2/GPU HRCCS检索代码示例https://www.dropbox.com/sh/0cxfolfmrs8ip37/AABZYoHr8nuRlHJG84dArX4ea?dl=0，它使用py多项嵌套抽样包(https://johannesbuchner.github.io/PyMultiNest/)， joblib循环并行化包(https://joblib.readthedocs.io/en/latest/)和corner.py (https://corner.readthedocs.io/en/latest/)．
改变历史
2021年12月15日
参考文献
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确认
m.r.l.， J.J.F, J.L.B.和P.S.感谢来自NASA XRP赠款80NSSC19K0293的支持。M.R.L.和E.S.感谢来自系外行星系统科学Nexus和NASA天体生物学研究所虚拟行星实验室(no。80 nssc18k0829)。M.B.和S.G.感谢英国科学和技术设施委员会(STFC)的研究资助ST/S000631/1。J.Z.感谢来自NASA FINESST拨款80NSSC19K1420的支持。e.m.r.k.和E.R.感谢海辛-西蒙斯基金会的支持。j.p.w感谢Wolfson Harrison英国研究委员会物理奖学金和英国科学技术设施委员会(STFC)的支持。这项工作使用了浸没式光栅红外光谱仪(IGRINS)，该光谱仪由德克萨斯大学奥斯汀分校和韩国天文和空间科学研究所(KASI)合作开发，获得了古巴山天文基金会、美国国家科学基金会AST-1229522和AST-1702267拨款支持，德克萨斯大学奥斯汀分校麦克唐纳天文台、KASI的韩国GMT项目和双子座天文台的财政支持。这个名为GS-2020B-Q-249的项目基于国际双子天文台的观测结果，这是美国国家科学基金会(NSF) NOIRLab的一个项目，由天文学研究大学协会(AURA)管理，并与美国国家科学基金会(National Science Foundation)签订了代表双子天文台伙伴关系的合作协议:国家科学基金会(美国)、国家研究委员会(加拿大)、国家科学研究所(Investigación y Desarrollo)(智利)、国家科学院(ministry erio de Ciencia)、Tecnología e Innovación(阿根廷)、Ministério da Ciência、Tecnologia、Inovações e Comunicações(巴西)和韩国天文和空间科学研究所(大韩民国)。 Finally, we acknowledge Research Computing at Arizona State University for providing HPC and storage resources that have significantly contributed to the research results reported within this manuscript.
作者信息
作者和联系
贡献
M.R.L.构思了这个想法，进行了数据分析和建模，并撰写了手稿。j.z(首席研究员)和M.R.L.撰写了最初的IGRINS提案。M.B.提供了相互关系分析和概念框架的指导。J.L.B.就研究结果的背景提供了指导。S.G.进行了独立的贝叶斯分析来证实这一结果。G.N.M.运行PLP管道，并协助IGRINS的特定观测设置。V.P防晒,通用规则,E.M.-R.K, J.J.F,大肠,急诊,J-M.D一般。，J。P.W. and L.P. helped with the original proposal/and or provided valuable insight/comments on the manuscript or through discussions.
相应的作者
道德声明
相互竞争的利益
作者声明没有竞争利益。
额外的信息
同行审查的信息自然感谢Neale Gibson和其他匿名审稿人对这项工作的同行评审所做的贡献。同行评审报告可用。
出版商的注意施普林格自然对出版的地图和机构附属的管辖权要求保持中立。
扩展的数据图和表
图1数据汇总和PCA程序。
一个，当晚每个订单的每分辨率元素信噪比中位数(红色)。蓝色曲线是时间和单个订单的信噪比中值。b，示例原始数据立方体(顶部行)-具有代表性的两阶(25,5)的光谱随时间/帧的变化。固定的碲显示为垂直的暗条纹。波长相关的梯度是由于阶梯焰通量。PCA/SVD方法可以去除这些固定的特征，留下隐藏在噪声中的行星信号(下一行)。我们使用这些“pca后”框架进行后续的相互关联/检索分析(对所有43个使用订单重复)。
图2检索分析中使用的主要不透明度来源摘要。
在检索分析中考虑的分子的吸收截面(0.01 bar, 1600 K)。
图3正文检索分析的后验概率分布角图汇总。
注意在水、CO和同位素比上有限制，但只有在其他物种上有上限。注意，我们检索[13C16O /12C16而是画出相反的曲线，[12C16O /13C16O]以便与文献报告值进行比较(见扩展数据图。6)插图为最大似然模型谱的分子组成。使用corner.py生成的图。
图4经典的互相关分析数据产品。
互相关分析中使用的模型模板是检索分析发现的最大似然解所产生的谱。左列说明了气体检测(所有气体，H2O, CO和其他nh3.+ H2S + HCN + CH4)Kp——ΔVsys平面，有一个切口Vsys根据文献报道Kp在底部。检测图是通过减去平均总CC，然后除以一个“off peak”(每个面板左下角的方框区域)CC标准差来构建的。用这种方法，只有H2O被强烈地检测到，在预期的速度下有少量的CO存在。右列使用对数似然形式再现类似的产品7(∆日志l)，导致CO更强的存在。我们强调，虽然这样的地图可能对“探测”物种或“大气”有指导意义，但它们并没有在所有简并上边缘化，也没有最大化数据中的信息内容。这就是为什么在我们的分析中，我们专注于更全面的对数似然/检索形式主义产生的结果。
图5使用H2O, CO和温度剖面约束作为假设影响的指标。
最上面一行的直方图和第一个TP廓线直方图表明温度廓线参数化没有影响。直方图的中间面板和温度剖面的中间面板表明，在序列中观察到的半球上，由于温度不均匀的存在，几乎没有影响。最后，直方图的底部面板和最后的温度剖面面板说明了各种数据分析和其他小建模假设的缺乏影响。简而言之，检索到的丰度和温度剖面约束在很大程度上对大多数常见假设具有弹性。
图6 IGRINS数据的贝叶斯推理/检索工具对比。
在最左边的面板中比较了温度剖面，在右边的角落图中比较了丰度的一个子集。每个模式使用略有不同的大气参数化假设，并独立开发核心辐射转移方面(求解器、不透明度)。
图7碳同位素丰度分析。
直方图的第一行比较了应用于真实数据(红色)和反向注入数据的名义简化检索模型的约束13C同位素去除模型(黑色)。模拟数据的上限和来自真实数据集的有界约束表明，这些IGRINS数据中确实存在同位素信息。底部面板比较检索到的结果12C13C比(红色)与常见太阳系天体(蓝色，参考后)。67)和各种参考值(星系星际介质(ISM)组件，和地球(地面)，黑色虚线)。WASP-77Ab异常低(增强)13C)与大多数太阳系物体相比。
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Line, m.r.， Brogi, M.， Bean, J.L.et al。高温木星大气中的太阳C/O和次太阳金属丰度。自然598, 580 - 584(2021)。https://doi.org/10.1038/s41586-021-03912-6
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