May 6-8, 2015, Exoplanets in Lund Image Credits: ESA - - PowerPoint PPT Presentation

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May ¡6-­‑8, ¡2015, ¡Exoplanets ¡in ¡Lund ¡

Exoplanets ¡are ¡extremely ¡diverse ¡in ¡their ¡physical ¡characteris=cs ¡

Hot ¡Jupiter! ¡ Super-­‑Earth! ¡

Exoplanet ¡Temperatures ¡and ¡Sizes ¡

Images ¡credits: ¡NASA ¡

The ¡Solar ¡System ¡

Ques=on ¡at ¡the ¡new ¡fron=er: ¡ ¡ How ¡diverse ¡are ¡the ¡chemical ¡composi=ons ¡ and ¡physical ¡processes ¡in ¡exoplanets? ¡

Atmospheric ¡Spectroscopy ¡of ¡Transi=ng ¡Exoplanets ¡

δtransit = Rp Rs ⎛ ⎝ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟

2

δoccultation = Bλ(Tp) Bλ(Ts) Rp Rs ⎛ ⎝ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟

2

Deming ¡et ¡al. ¡2013, ¡Madhusudhan ¡et ¡al. ¡2014 ¡ Knutson ¡et ¡al. ¡2007 ¡ Madhusudhan ¡2012 ¡

Observa=ons ¡ ¡

• Transmission ¡spectra ¡(IR, ¡visible, ¡UV, ¡X-­‑ray) ¡
• ¡Secondary ¡eclipse ¡spectra ¡ ¡(IR, ¡visible) ¡
• ¡Phase ¡curves ¡(IR ¡+ ¡visible) ¡
• ¡High-­‑res ¡(R ¡= ¡105) ¡spectroscopy ¡(IR) ¡

Inferences ¡

• Chemical ¡composi=ons ¡ ¡
• Temperature ¡profiles ¡ ¡
• Clouds ¡and ¡hazes ¡ ¡
• Upper ¡atmospheres ¡and ¡escape ¡ ¡
• Atmospheric ¡dynamics ¡

2+ ¡band ¡photometry ¡available ¡for ¡> ¡30 ¡hot ¡Jupiters ¡

Knutson ¡et ¡al. ¡2008, ¡Charbonneau ¡et ¡al. ¡2008, ¡Machalek ¡et ¡al. ¡2008, ¡ O’Donovan ¡et ¡al. ¡2010, ¡Stevenson ¡et ¡al. ¡2010, ¡Deming ¡et ¡al. ¡2013, ¡etc. ¡

• 1. ¡Recent ¡Advances ¡in ¡Molecular ¡Detec=ons ¡

López-­‑Morales ¡et ¡al. ¡(2010) ¡ Campo ¡et ¡al. ¡(2011) ¡ Croll ¡et ¡al. ¡(2011) ¡

Ground-­‑based ¡Photometry ¡and ¡Spectroscopy ¡

Model ¡Fit ¡to ¡Photometric ¡Data ¡

Madhusudhan ¡et ¡al. ¡2011, ¡Nature, ¡64, ¡469 ¡

Adapted from Madhusudhan et al. 2011, Nature, 469, 64 Data from Lopez-Morales et al. 2010; Croll et al. 2010; Campo et al. 2011

First ¡measurement ¡of ¡atmospheric ¡C/O ¡in ¡a ¡giant ¡planet ¡ ¡

Key ¡Molecular ¡Constraints ¡ ¡

• ¡H2O/H2 ¡≤ ¡6 ¡× ¡10-­‑6 ¡
• ¡CH4 ¡/H2 ¡≥ ¡8 ¡× ¡10-­‑6 ¡

C/O ¡≥ ¡1 ¡

But ¡cf ¡Crossfield ¡et ¡al. ¡2012, ¡Cowan ¡et ¡al. ¡2012, ¡ ¡ Swain ¡et ¡al. ¡2012, ¡Stevenson ¡et ¡al. ¡2014 ¡

Anderson ¡et ¡al. ¡2012; ¡Lendl ¡et ¡al. ¡2013 ¡ Bean ¡et ¡al. ¡2013 ¡ Magellan ¡MMIRS ¡ Spectroscopy ¡ ¡ Numerous ¡other ¡ground-­‑based ¡efforts ¡from ¡ Lopez-­‑Morales ¡et ¡al. ¡2010; ¡Croll ¡et ¡al. ¡2011, ¡2012; ¡ ¡ Crossfield ¡et ¡al. ¡2012,2013; ¡Chen ¡et ¡al. ¡2014; ¡ ¡ Wang ¡et ¡al. ¡2014; ¡Gillon ¡et ¡al. ¡2012; ¡etc. ¡ ¡ ¡

Ground-­‑based ¡Photometry ¡and ¡Spectroscopy ¡

New ¡Advances ¡with ¡HST ¡WFC3 ¡

Swain ¡et ¡al. ¡2012, ¡Madhusudhan ¡2012, ¡Stevenson ¡et ¡al. ¡2014 ¡

Deming ¡et ¡al. ¡2013 ¡

Mandell ¡et ¡al. ¡2014 ¡

Deming ¡et ¡al. ¡2013 ¡

Stevenson ¡et ¡al. ¡2014 ¡ Swain ¡et ¡al. ¡2013 ¡

WASP-­‑12b ¡

New ¡Advances ¡with ¡HST ¡Transit ¡Spectroscopy ¡

(HST ¡WFC3 ¡Large ¡pilot ¡program: ¡115 ¡HST ¡Orbits, ¡~10 ¡planets, ¡PI: ¡Drake ¡Deming) ¡

Single ¡Transits/Occulta=ons ¡not ¡adequate ¡ for ¡most ¡hot ¡Jupiters! ¡ ¡

H2O ¡in ¡Transmission ¡Spectra ¡

Deming ¡et ¡al. ¡2013, ¡McCullough ¡et ¡al. ¡2014, ¡Madhusudhan ¡et ¡al. ¡2014a ¡

H2O ¡in ¡Transmission ¡and ¡Emission ¡

Kriedberg ¡et ¡al. ¡2014, ¡ApJL ¡ Stevenson ¡et ¡al. ¡2014, ¡Science ¡ WASP-­‑43 ¡

Phase-­‑resolved ¡Spectra ¡of ¡hot ¡Jupiters ¡

(HST ¡WFC3 ¡Treasury ¡program: ¡150 ¡HST ¡Orbits, ¡4 ¡planets, ¡PI: ¡Jacob ¡Bean) ¡ Stevenson ¡et ¡al. ¡2014, ¡Science ¡ 61 ¡HST ¡Orbits, ¡6 ¡Transits, ¡5 ¡Occulta=ons ¡ 3 ¡full ¡planetary ¡orbits ¡

Hot ¡Jupiter ¡WASP-­‑43b ¡

Phase ¡Resolved ¡Spectroscopy ¡

• 2. ¡Hazes ¡and ¡Clouds ¡in ¡hot ¡Jupiter ¡Atmospheres ¡
• D. ¡K. ¡Sing ¡et ¡al. ¡2011, ¡MNRAS, ¡416, ¡1443 ¡
• F. ¡Pont ¡et ¡al. ¡2008, ¡MNRAS, ¡385, ¡109 ¡

HD ¡189733b ¡ (HST ¡STIS ¡+ ¡ACS) ¡

Evans ¡et ¡al. ¡2013 ¡

Pont ¡et ¡al. ¡2008 ¡ Sing ¡et ¡al. ¡2011 ¡ Modeling ¡and ¡Theory: ¡ ¡ Lecavelier ¡Des ¡Etangs ¡et ¡al. ¡2008, ¡A&A, ¡481, ¡L83 ¡ Helling ¡et ¡al. ¡2008, ¡A&A, ¡485, ¡547 ¡ ¡ Other ¡results ¡indica=ng ¡high ¡geometric ¡ ¡ ¡albedos ¡for ¡some ¡hot ¡Jupiters ¡using ¡Kepler: ¡ ¡ Kepler-­‑7b ¡(Demory ¡et ¡al. ¡2011, ¡ApJ, ¡735, ¡12) ¡ HAT-­‑7b ¡(Chris=ansen ¡et ¡al. ¡2010, ¡ApJ, ¡710, ¡97 ¡) ¡

• 3. ¡Temperature ¡Profiles ¡in ¡Exoplanetary ¡Atmospheres ¡

Some ¡Context ¡

Earth’s ¡Atmosphere: ¡

• U. ¡S. ¡Standard ¡Atmosphere ¡

Stratosphere ¡caused ¡by ¡Ozone ¡ Typical ¡model ¡temperature ¡profiles ¡ ¡

• f ¡highly ¡irradiated ¡planets ¡

Do ¡irradiated ¡planets ¡host ¡stratospheres? ¡

Thermal ¡inversions ¡in ¡hot ¡Jupiters ¡

(The ¡TiO/VO ¡Hypothesis) ¡

Hubeny, ¡I. ¡et ¡al. ¡2003, ¡ApJ, ¡594, ¡1011 ¡ ¡ Fortney ¡et ¡al ¡2006, ¡ApJ, ¡642, ¡495 ¡ ¡TiO ¡and ¡VO ¡can ¡be ¡very ¡strong ¡absorbers ¡of ¡incident ¡stellar ¡irradiaCon ¡in ¡the ¡visible ¡high ¡in ¡the ¡ atmospheres ¡of ¡hot ¡Jupiters, ¡and ¡can ¡hence ¡cause ¡thermal ¡inversions. ¡ Madhusudhan ¡& ¡Seager ¡2010 ¡

Theory ¡of ¡Thermal ¡inversions ¡in ¡hot ¡Jupiters ¡

Planet ¡Gravity ¡(cm ¡s-­‑2) ¡ Incident ¡Flux ¡(ergs ¡s-­‑1 ¡ cm-­‑2) ¡ Fortney et al. 2008 Inversion ¡ No ¡Inversion ¡ Other factors influencing thermal inversions Settling/condensation: Spiegel et al. 2009 Stellar Activity: Knutson et al. 2010 C/O Ratio: Madhusudhan 2012 Knutson et al. 2008, Burrows et al. 2008

HD ¡209458b ¡

Inferences ¡of ¡Thermal ¡Inversions ¡in ¡Hot ¡Jupiters ¡

Machalek ¡et ¡al. ¡2008; ¡Fressin ¡et ¡al. ¡2010; ¡Deming ¡et ¡al. ¡2010; ¡ ¡ Anderson ¡et ¡al. ¡2012; ¡Blecic ¡et ¡al. ¡2013 ¡ ¡ Madhusudhan et al. 2011

No ¡Thermal ¡Inversion ¡in ¡HD ¡209458b ¡

Diamond-­‑Lowe ¡et ¡al. ¡2014 ¡

HD ¡209458b ¡

First ¡Spectroscopic ¡Evidence ¡for ¡a ¡Thermal ¡Inversion ¡

Haynes ¡et ¡al. ¡(in ¡press). ¡ ¡On ¡astro-­‑ph ¡today! ¡

• 4. ¡Spectra ¡of ¡Low ¡Mass ¡Planets ¡

Need ¡> ¡103x ¡low ¡CH4 ¡ Need ¡> ¡103x ¡high ¡CO ¡

GJ ¡436b ¡ Dayside ¡Emission ¡

Knutson ¡et ¡al. ¡2014 ¡ Transmission ¡Spectrum ¡of ¡GJ ¡436b ¡ Ms ¡= ¡0.4 ¡M, ¡Rs ¡= ¡0.5 ¡M, ¡Teff ¡= ¡3500 ¡K, ¡M3 ¡V ¡ Mp ¡= ¡22.2 ¡ME, ¡Rp ¡= ¡4.3 ¡RE, ¡ ¡ ¡Teq~ ¡750 ¡K ¡

GJ ¡436b ¡ Stevenson ¡et ¡al. ¡2010, ¡Madhusudhan ¡& ¡Seager ¡2011 ¡

Lenoue ¡et ¡al. ¡2014, ¡in ¡press ¡ Emission ¡Spectrum ¡of ¡GJ ¡436b ¡

First ¡Detec=on ¡of ¡H2O ¡in ¡an ¡Exo-­‑Neptune ¡

Fraine ¡et ¡al. ¡2014, ¡Nature ¡

Transmission ¡Spectrum ¡of ¡HAT-­‑P-­‑11b ¡

60 ¡HST ¡orbits ¡ Kreidberg ¡et ¡al. ¡2014 ¡ Clouds ¡in ¡the ¡super-­‑Earth ¡GJ ¡1214b ¡(T ¡≈ ¡550 ¡K) ¡

Characterizing ¡Super-­‑Earth ¡Atmospheres ¡(GJ ¡1214b) ¡

Mp ¡= ¡6.55 ¡± ¡0.98 ¡ME ¡ Rp ¡= ¡2.678 ¡± ¡0.13 ¡RE ¡ ¡ Teq ¡= ¡400 ¡-­‑ ¡550 ¡K ¡

Key ¡Merit: ¡Orbits ¡an ¡M ¡Dwarf ¡ (M ¡= ¡0.16 ¡Ms, ¡R ¡= ¡0.2 ¡Rs) ¡

Houer ¡is ¡beuer! ¡ Currently, ¡houer ¡Super-­‑Earths ¡are ¡beuer ¡targets: ¡

• 1. ¡Larger ¡atmospheric ¡signal ¡
• 2. ¡Lower ¡probability ¡of ¡clouds ¡or ¡hazes ¡

Madhusudhan ¡& ¡Redfield ¡(2014) ¡

Madhusudhan ¡& ¡Redfield ¡2015 ¡

Simulated ¡Thermal ¡Spectra ¡of ¡55 ¡Cancri ¡e ¡

Simulated ¡Data ¡ ¡

First ¡Detec=on ¡of ¡Variability ¡in ¡a ¡Super-­‑Earth ¡

Demory, ¡Gillon, ¡Madhusudhan, ¡& ¡Queloz ¡2015 ¡

Extreme ¡Volcanism ¡on ¡a ¡Super-­‑Earth? ¡

Credits: ¡NASA/JPL-­‑Caltech/R. ¡Hurt ¡

Direc=ons ¡for ¡the ¡Future ¡

• ¡Characteriza=on ¡of ¡atmospheres ¡and ¡interiors ¡of ¡ ¡

¡ ¡ ¡exoplanets ¡

• ¡Detec=on ¡of ¡small ¡planets ¡orbi=ng ¡nearby ¡stars ¡

The ¡Golden ¡Age ¡of ¡Exoplanet ¡Science ¡

TESS ¡(NASA) ¡ CHEOPS ¡ (ESA) ¡ The ¡James ¡Webb ¡Space ¡Telescope ¡ The ¡future ¡from ¡ground ¡ ¡ E-­‑ELT, ¡GMT, ¡TMT ¡ ¡

PLATO ¡(ESA) ¡

Major ¡Science ¡Direc=ons ¡

• Composi=ons, ¡thermal ¡profiles, ¡& ¡dynamics ¡
• Characteriza=on ¡of ¡clouds ¡and ¡hazes ¡ ¡
• Constraints ¡on ¡planet ¡forma=on ¡and ¡migra=on ¡
• Super-­‑Earth ¡atmospheres ¡and ¡Interiors ¡ ¡
• Bio-­‑signatures ¡in ¡habitable ¡planets ¡ ¡
• Precision ¡atmospheric ¡science ¡of ¡exoplanets ¡

Major ¡Science ¡Direc=ons ¡

• Composi=ons, ¡thermal ¡profiles, ¡& ¡dynamics ¡
• Characteriza=on ¡of ¡clouds ¡and ¡hazes ¡ ¡
• Constraints ¡on ¡planet ¡forma=on ¡and ¡migra=on ¡
• Super-­‑Earth ¡atmospheres ¡and ¡Interiors ¡ ¡
• Bio-­‑signatures ¡in ¡habitable ¡planets ¡ ¡
• Precision ¡atmospheric ¡science ¡of ¡exoplanets ¡

Madhusudhan ¡et ¡al. ¡2014a ¡

New ¡HST ¡Detec=ons ¡of ¡H2O ¡

High-­‑precision ¡H2O ¡Measurements ¡

Madhusudhan ¡et ¡al. ¡2014a ¡

Constraints ¡on ¡Planet ¡Forma=on ¡

Image ¡Credits: ¡NASA ¡

Owen ¡et ¡al ¡1999; ¡Bolton ¡et ¡al. ¡2010 ¡

Atmospheric ¡abundances ¡in ¡Jupiter ¡

C/O ¡≥ ¡1 ¡

(Strange ¡Territory) ¡

C/O ¡= ¡0.5 ¡

(Working ¡Hypothesis) ¡

Lodders ¡2004; ¡Kuchner ¡& ¡Seager ¡2005; ¡ ¡ Madhusudhan ¡et ¡al. ¡2011b, ¡Mousis ¡et ¡al. ¡2012. ¡

H2O ¡abundance ¡is ¡not ¡known ¡for ¡Jupiter ¡

Hot ¡ ¡Jupiter ¡51 ¡Peg ¡b ¡(Mayor ¡and ¡Queloz ¡1995) ¡

How ¡did ¡hot ¡Jupiters ¡form ¡and ¡migrate? ¡

H2O

CO2

Two ¡Pathways ¡for ¡Hot ¡Jupiter ¡Migra=on ¡

• 1. Migra=on ¡through ¡the ¡disk ¡(~Circular ¡+ ¡aligned ¡orbits) ¡
• 2. Migra=on ¡by ¡scauering ¡(High ¡eccentric ¡+ ¡misaligned ¡orbits) ¡

Warped ¡disks ¡make ¡the ¡two ¡scenarios ¡degenerate ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(Batygin ¡et ¡al. ¡2013) ¡ ¡

Effect ¡of ¡Forma=on ¡Condi=ons ¡on ¡C/O ¡ra=os ¡

Mousis ¡et ¡al. ¡2009, ¡Madhusudhan ¡et ¡al. ¡2011b ¡

!"))(& !"')+& !"!(,,& !"!+#(&!"!%#(& !"!'%%& !"!%,,& '"(#-.!+& ,"%'-.!#& 2'0& /0& /0'& 12+& 2'3& 1'& /2+02& /2#& 42+&

Oberg ¡et ¡al. ¡2011 ¡

Madhusudhan, ¡Amin, ¡& ¡Kennedy ¡2014 ¡

Prescrip=ons ¡for ¡Accre=on ¡and ¡Disk ¡Migra=on ¡

General ¡behavior ¡for ¡Accre=on ¡+ ¡Type-­‑II ¡Migra=on ¡ Ida ¡& ¡Lin ¡2004 ¡ Type-­‑II ¡Migra=on ¡ Gas ¡and ¡Solid ¡Accre=on ¡ Alibert ¡et ¡al. ¡2005 ¡ Gap ¡Opening ¡Condi=on ¡

Chemical ¡Signatures ¡of ¡hot ¡Jupiter ¡Migra=on ¡

Madhusudhan, ¡Amin, ¡& ¡Kennedy ¡2014 ¡

Low ¡metallici=es ¡in ¡hot ¡Jupiters ¡likely ¡suggest ¡disk-­‑free ¡migra=on ¡ ¡

Influence ¡of ¡non-­‑solar ¡C/O ¡

Madhusudhan ¡2012; ¡Also ¡see ¡Moses ¡et ¡al. ¡2013, ¡Kopparapu ¡et ¡al. ¡2013 ¡

¡Summary ¡

• ¡Currently ¡hot ¡giant ¡planets ¡provide ¡the ¡best ¡targets ¡for ¡ ¡

¡ ¡ ¡atmospheric ¡spectroscopy ¡of ¡exoplanets. ¡

• ­‑ ¡Revealing ¡a ¡diversity ¡in ¡chemical ¡abundances ¡
• ­‑ ¡Constraints ¡on ¡temperature ¡profiles, ¡clouds ¡and ¡hazes, ¡dynamics. ¡
• ¡Upcoming ¡facili=es ¡will ¡make ¡such ¡observa=ons ¡possible ¡for ¡ ¡

¡ ¡ ¡a ¡much ¡larger ¡sample ¡of ¡planets ¡(both ¡giant ¡and ¡smaller) ¡

• ¡New ¡science ¡direc=ons ¡include ¡constraints ¡on ¡planet ¡ ¡

¡ ¡ ¡forma=on ¡and ¡super-­‑Earth ¡interiors, ¡in ¡addi=on ¡to ¡ ¡ ¡ ¡ ¡detailed ¡atmospheric ¡characteriza=on. ¡ ¡