[論文レビュー] A New Pupil for Detecting Extrasolar Planets

David N. Spergel|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2001

Adaptive optics and wavefront sensing参考文献 4被引用数 29

ひとこと要約

この論文は、光学軸に沿って深く安定したノルムを形成する新しい形状をした瞳孔設計を提案しており、星の光を抑制することで、直接的に地球に似た系外惑星の検出を可能にする。形状をした瞳孔とルーフトップ・ノルマを組み合わせ、変形可能なミラーを用いて表面の不規則性を補正することで、20パーセク以内の距離に位置する地球型惑星を検出するのに十分なコントラスト性能が達成され、0.3–1.3 μmの波長範囲でスペクトル線を用いた大気の特徴を同定できる。

ABSTRACT

The challenge for optical detection of terrestial planet is the 25 magnitude brightness contrast between the planet and its host star. This paper introduces a new pupil design that produces a very dark null along its symmetry axis. By changing the shape of the pupil, we can control the depth and location of this null. This null can be further enhanced by combining this pupil with a rooftop nuller or cateye nuller and an aperture stop. The performance of the optical system will be limited by imperfections in the mirror surface. If the star is imaged with and without the nuller, then we can characterize these imperfections and then correct them with a deformable mirror. The full optical system when deployed on a 6 $ imes$ 10 m space telescope is capable of detecting Earthlike planets around stars within 20 parsecs. For an Earthlike planet around a nearby stars (10 parsecs), the telescope can characterize its atmosphere by measuring spectral lines in the 0.3 - 1.3 micron range.

研究の動機と目的

• 地球型惑星とその中心星との間の25等級の明るさの差を光学波長域で解決する。
• 従来のコロナグラフやノルミング干渉計の限界を乗り越えるために、対称軸に沿って回折光を内因的に抑制する瞳孔を設計する。
• 大規模な光学宇宙望遠鏡を用いて、近くの星の周りの地球型惑星（20パーセク以内）の高コントラスト像像法と大気の特徴を同定することを可能にする。
• 軸上スペクトロスコピーと変形可能ミラーを用いて、ミラー表面の不規則性を検出し補正する手法を開発し、ノルムの深さと安定性を向上させる。
• 6×10 mの大規模な宇宙望遠鏡を用いて、この瞳孔設計を用いて系外惑星の検出と広範な天体物理学的科学の両方を実現可能であることを示す。

提案手法

• パラメータαを用いて定義されるガウス型の半径分布を持つ瞳孔を設計し、その幅関数を y_width(x) = exp[−(αx/R)²] − exp(−α²) と定義することで、ξ軸に沿って深いノルムを持つ回折パターンを生成する。
• 2ピece瞳孔構成を採用し、内縁部を ∫y²dy = β·y_width に設定することで、フーリエ変換における2次項を制御し、より広範かつ深いノルムを実現する。
• 形状瞳孔とルーフトップ・ノルマまたはカテアイエ・ノルマを組み合わせ、残存する星光をさらに抑制しコントラストを向上させる。
• 対称軸に沿った軸上スペクトロスコピーを用いて、散乱光を測定し、ミラー表面の振幅および位相エラーを検出する。
• ノルマを有効・無効に切り替えた際の星の像を比較することで、変形可能ミラーを用いて表面の不規則性を補正し、散乱光をピーク強度の10⁻¹⁰にまで低下させる。
• U、B、V、R、Iバンドにおける信号対雑音比の計算を用いて、システムの検出可能性をモデル化し、10%のシステム効率と最適位相におけるアルベド0.5の惑星を仮定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 形状瞳孔設計は、円形開口よりも深く広いノルムを回折パターンに生成できるか？ これにより、系外惑星検出のための高いコントラストが達成可能か？
• RQ2 αおよびβといった調整可能な瞳孔幾何学的パラメータを用いて、ノルムの深さと径方向の広がりをどのように制御できるか？
• RQ3 形状瞳孔とルーフトップ・ノルマの組み合わせにより、近くの星の周りの地球型惑星を検出するのに十分なコントラストを達成できるか？
• RQ4 軸上スペクトロスコピーを用いて、ミラー表面の誤差をリアルタイムで検出し補正でき、散乱光を回折光のレベル（ピーク強度の10⁻¹⁰）にまで低下させられるか？
• RQ5 20パーセク以内の星に対して、5σの有意水準で地球型惑星を検出するのに必要な積分時間はどの程度か？ また、0.3–1.3 μmの波長窓で大気の特徴を解像可能か？

主な発見

• α = 3.0 の形状瞳孔は、大きな角度においてノルムが ∼θ⁻⁵ の速度で減少するのに対し、円形開口では ∼θ⁻³ の速度で減少するため、はるかに速い減衰を示す。
• 2ピece瞳孔設計により、星から0.3秒角離れた位置でノルム深度が3×10⁻¹⁰に達し、広範囲にわたる暗黒領域が形成される。
• ルーフトップ・ノルマと変形可能ミラーによる補正を組み合わせることで、散乱光はピーク強度の10⁻¹⁰まで抑制され、回折光のレベルと同等の性能を達成する。
• G2型の恒星から1AUの距離に位置する地球型惑星に対して、最適位相と10%のシステム効率を仮定すると、30,000秒（8.3時間）の積分時間で5σの有意水準で検出可能である。
• 0.3–1.3 μmの波長範囲でO₂、O₃、H₂Oのスペクトル線を測定することで、検出された地球型惑星の大気を特徴づけることが可能であり、バイオスイグネチャの主要な窓口となる。
• 20パーセク以内のすべてのG型およびK型の恒星は、このシステムを用いて1回のミッション期間中に地球型惑星の探索が可能である。