[論文レビュー] Augmenting WFIRST Microlensing with a Ground-based Telescope Network

Wei Zhu, Andrew Gould|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 5被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、KMTNetなどの地上望遠鏡ネットワークを統合することで、WFIRSTの重力レンズ調査を強化することを提案している。これにより、1次元の重力レンズパラメータ測定が可能となり、あらゆる timescale において系外惑星およびフリー浮遊惑星の質量測定が著しく向上する。単一サイトの調査に起因する制限を克服し、最小限の系統的誤差でレンズ効果の精密な特徴付けが可能になる。

ABSTRACT

Augmenting the \emph{WFIRST} microlensing campaigns with intensive observations from a ground-based network of wide-field survey telescopes would have several major advantages. First, it would enable full two-dimensional (2-D) vector microlens parallax measurements for a substantial fraction of low-mass lenses as well as planetary and binary events that show caustic crossing features. For a significant fraction of the free-floating planet (FFP) events and all caustic-crossing planetary/binary events, these 2-D parallax measurements directly lead to complete solutions (mass, distance, transverse velocity) of the lens object (or lens system). For even more events, the complementary ground-based observations will yield 1-D parallax measurements. Together with the 1-D parallaxes from \emph{WFIRST} alone, they can probe the entire mass range $M\gtrsim M_\oplus$. For luminous lenses, such 1-D parallax measurements can be promoted to complete solutions (mass, distance, transverse velocity) by high-resolution imaging. This would provide crucial information not only about the hosts of planets and other lenses, but also enable a much more precise Galactic model. Other benefits of such a survey include improved understanding of binaries (particularly with low mass primaries), and sensitivity to distant ice-giant and gas-giant companions of \emph{WFIRST} lenses that cannot be detected by \emph{WFIRST} itself due to its restricted observing windows. Existing ground-based microlensing surveys can be employed if \emph{WFIRST} is pointed at lower-extinction fields than is currently envisaged. This would come at some cost to the event rate. Therefore the benefits of improved characterization of lenses must be weighed against these costs.

研究の動機と目的

• 地上ベースの重力レンズ調査がWFIRST宇宙ミッションの科学的成果にどの程度寄与するかを定量化すること。
• 地球とWFIRSTの観測を用いた1次元重力レンズパラメータ測定の実現可能性と利点を示すこと。
• 地上ベースの調査が、系外惑星およびフリー浮遊惑星の質量測定に与える影響を評価すること。
• 地上ベース調査によるイベント検出率の増加と、光学バンドでのチリによる感度低下のトレードオフを評価すること。
• 今後実施予定の地上ベース重力レンズ調査ネットワーク、あるいは既存のネットワークに対応可能なフレームワークを提供すること。

提案手法

• パラメータ Λ = t_E π_E / AU を用いて、パラメータの運動学的効果を直接測定し、従来の π_E 測定よりも精度を向上させる。
• 式 (8) を適用して、地球とWFIRSTの観測間の時間差 Δt₀ と接近パラメータ差 Δu₀ から Λ を計算する。
• 式 (68) を用いて、地球とWFIRST間の t_E の系統的不確実性をモデル化し、典型的なイベントでは無視できる（≤0.086%）ことを示す。
• 地上ベースの t_E 測定を既知とみなせる条件（式 73）を評価し、信頼性の高いパラメータ推定を保証する。
• 地上カバレッジのベースラインとして、KMTNetに類似した調査モデルを採用し、15分間隔の観測と高頻度モニタリングを仮定する。
• 式 (7) を用いて、Λ の振幅を用いて銀河ディスクとバルジのレンズ効果イベントを区別するフレームワークを導入する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地上望遠鏡は、WFIRST重力レンズイベントの重力レンズパラメータ測定を著しく改善できるか？
• RQ2 1次元パラメータ測定（π_E,∥）は、単一サイト観測と比較して、系外惑星およびフリー浮遊惑星の質量特徴付けをどの程度向上させるか？
• RQ3 地球とWFIRSTの観測を比較した場合、イベント timescale（t_E）の系統的不確実性はどの程度で、科学的用途には無視できるか？
• RQ4 t_E が完全に既知でない場合、地上光曲線の信号対雑音比がパラメータ測定の信頼性にどのように影響するか？
• RQ5 地上ベース調査によるイベント検出率の増加と、光学バンドでのチリによる感度低下のトレードオフはどのようなものか？

主な発見

• 1次元重力レンズパラメータ測定は、あらゆるアインシュタイン timescale で実現可能であり、2次元パラメータ測定よりも著しく多く得られる。
• 典型的なバルジイベントでは、地球とWFIRST間の t_E の系統的不確実性は ≤0.086%、ディスクイベントでは ≤0.24% であり、大多数の科学的応用において無視できる。
• 地上ベースの信号対雑音比が σ₀,⊕ / F_s,⊕ ≳ 7.5×10⁻⁴ × (t_E / 1 day)¹/² × (Γ_⊕ / 240 day⁻¹)¹/² × (ṽ / 1000 km s⁻¹)⁻¹ × [u₀³(1 + r(u₀,t_E))/0.02]⁻¹/² を満たす場合、t_E の測定は信頼性を持って行える。
• 宇宙と地上のパラメータ測定データを統合することで、低質量天体、特にフリー浮遊惑星の質量測定が可能になる。
• ベクトルパラメータ Λ の振幅は、横方向速度と相関しており、ディスクイベント（ṽ ≈ 280 km s⁻¹）とバルジイベント（ṽ ≈ 1000 km s⁻¹）を区別可能である。
• 小さな接近パラメータ（u₀ < 0.2）に対しても、t_E が未知であると仮定した場合の誤差は最大で1.7倍にとどまり、この手法のロバスト性が確認される。