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研究生： 楊鎮榮
Yang, Chen-jung
論文名稱： 系外行星大氣穿透光譜之研究
A Study of Transmission Spectra of Exoplanetary Atmosphere
指導教授： 江瑛貴
Jiang, Ing-Guey
口試委員: 葉麗琴
陳林文
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 理學院 - 物理學系
Department of Physics
論文出版年： 2020
畢業學年度： 108
語文別： 中文
論文頁數： 58
中文關鍵詞： 系外行星 、大氣 、穿透光譜
外文關鍵詞： exoplanet, atmosphere, transmission spectrum
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    • 系外行星大氣光譜分析在這幾年迅速的發展，這是系外行星科學的分支，藉由使用大氣光譜分析，可以顯示出系外行星大氣層的資訊。
    至今已經有超過4000顆系外行星被發現，所以我們有許多的樣本可以進行分析。因此，我們將介紹一個方法如何表徵系外行星大氣層的性質，藉由使用Metropolis Hastings演算法，我們能夠檢索一些參數，例如大氣層元素豐度、參數化T-P profile的參數。本次的研究是基於Exo-Transmit的程式碼並結合了M-H演算法，此外，我們還修改了Exo-Transmit中EOS的部分，我們將TEA程式碼插入至Exo-Transmit中，用以計算在改變輸入元素豐度，且當化學平衡時，各個化學物質的豐度。
    根據HST與SST的觀測資料，我們的程式會檢索出適合的參數，並且計算出模擬的穿透光譜、T-P profile以及各個化學物質的含量分布。
    我們的方法目前只考慮氣相物質的化學平衡情形，而光化學反應、冷凝過程、沉降以及雲霧是我們未來的目標。

    Exoplanet atmospheric spectroscopy is developed fast in recent years. This is a branch of Exoplanetology. Exoplanet atmospheric spectroscopy can reveal informa-tion of exoplanetary atmosphere.
    More than 4000 exoplanets have been detected so far, we have a lot of samples can be analyzed and characterized. Thus, we present a method which is used to char-acterize exoplanetary atmosphere properties. We used Metropolis-Hastings algorithm (MCMC) to retrieve parameters, such as elemental abundances and some parameters of parametric T-P profile. This work is based on Exo-Transmit code and combined with M-H algorithm. Furthermore, we modify the EOS part in Exo-Transmit. We in-sert TEA code into Exo-Transmit to calculate chemical equilibrium abundances by changing input elemental abundances.
    According to observational data from HST and SST, our method can retrieve suitable parameters and generate transmission spectrum, T-P profile and chemical abundances mixing ratio.
    For now, our method only considers chemical equilibrium in gaseous species. Photochemical process, condensation process, rain-out and cloud are our future goal.

    第一章 簡介 1 1.1 前言 1 1.2 系外行星探測法 1 1.2.1 徑向速度法(Radial Velocity) 2 1.2.2 凌日法(Transit) 3 1.2.3 重力微透鏡法(Gravitational Microlensing) 3 1.2.4 直接影像法(Direct Imaging) 4 1.2.5 其他(Other) 4 1.3 系外行星大氣層 6 第二章 模擬方法 7 2.1 凌日光譜(Transit spectroscopy) 7 2.2 大氣層溫度-壓力結構(T-P profile) 9 2.2.1 等溫溫度-壓力結構(Isothermal T-P profile) 9 2.2.2 參數化溫度-壓力結構(Parametric T-P profile) 10 2.3 大氣化學成份 11 2.3.1 最小化Gibbs自由能化學平衡法 11 2.3.2 Solar Abundances 15 2.3.3 化合物以及元素含量比例(EOS) 16 2.4 不透明度(Opacity) 18 2.4.1 分子不透明度(Opacity) 18 2.4.2 CIA(Collision Induced Absorption) 20 2.4.3 瑞利散射(Rayleigh Scattering) 21 2.5 Metropolis-Hasting演算法 22 第三章 模擬程式 24 3.1 Exo-Transmit 24 3.2 TEA(Thermo-chemical Equilibrium Abundances) 26 3.3 本次研究 27 第四章 觀測資料與模擬的比較 29 4.1 HD 189733 b 30 4.2 HD 209458 b 31 4.3 WASP-17 b 32 4.4 WASP-39 b 33 第五章 總結與未來展望 36 5.1 結論 36 5.2 未來工作 40 參考文獻 42 附錄A: 凌日光譜公式推導 44 附錄B: Posterior Parameter distribution 47 B.1: HD 189733 b 47 B.2: HD 209458 b 48 B.3: WASP-17 b 49 B.4: WASP-39 b 50 附錄C: M-H演算法取樣的候選參數分布圖 51 C.1: HD 189733 b 51 C.2: HD 209458 b 52 C.3: WASP-17 b 53 C.4: WASP-39 b 54 附錄D: 符號列表 55

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