[論文レビュー] Developing post-coronagraphic, high-resolution spectroscopy for terrestrial planet characterization on ELTs

Nemanja Jovanović, Olivier Guyon+13 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 12被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、すばる望遠鏡のSCExAOとIRDを用いた、後コロナグラフ型ファイバーキャピチャを用いた、地球型系外惑星の高分解能分光法の新規手法を提案する。適応光学、スプライクル制御、単モードファイバー結合を組み合わせることで、極めて高い対比を達成し、惑星光を分離する。これにより、テンプレートスペクトルとのクロス相関を用いて、大気中の分子特徴の高信噪比検出が可能となる。

ABSTRACT

Spectroscopic observations are extremely important for determining the composition, structure, and surface gravity of exoplanetary atmospheres. High resolution spectroscopy of the planet itself has only been demonstrated a handful of times. By using advanced high contrast imagers, it is possible to conduct high resolution spectroscopy on imageable exoplanets, after the star light is first suppressed with an advanced coronagraph. Because the planet is spatially separated in the focal plane, a single mode fiber could be used to collect the light from the planet alone, reducing the photon noise by orders of magnitude. In addition, speckle control applied to the location where an exoplanet is known to exist, can be used to preferentially reject the stellar flux from the fiber further. In this paper we will present the plans for conducting high resolution spectroscopic studies of this nature with the combination of SCExAO and IRD in the H-band on the Subaru Telescope. This technique will be critical to the characterization of terrestrial planets on ELTs and future space missions.

研究の動機と目的

• ホスト星の光による極めて高い対比の課題を克服することで、地球型系外惑星の高分解能分光法を可能にすること。
• 単モードファイバー注入を用いて惑星光を分離し、星のハロー光子を抑制する手法を開発すること。
• 可変ミラーと予測制御アルゴリズムを用いて、準静的および大気的スプライクルを制御する技術を実装し、対比を向上させること。
• 8mクラス望遠鏡の既存機器を用いて、高対比微分分光法（HDC）の実現可能性を示し、ELTミッションの予備段階とすること。
• 惑星スペクトルと分子テンプレートをクロス相関することで、大気中の分子特徴を高信噪比で検出可能とすること。

提案手法

• SCExAOの極端な適応光学システムを用い、Hバンドでスチュール比が90％以上に達するよう波面誤差を最小限に抑え、星光をPSFコアに集中させる。
• コロナグラフを適用して、軸上星光を抑制し、回折ハローを低減することで、星の近傍の暗黒領域での対比を向上させる。
• 惑星位置を正確なキャリーキャリー運動制御で追跡するファイバーキャピチャユニットを用いて、惑星からの光を単モードファイバーに注入する。
• 可変ミラー位相を変調することで、準静的スプライクルを抑制するスプライクルヌルイングアルゴリズムを適用し、ファイバーに結合する光度を100～1000倍低減する。
• 予測制御と空間的線形暗黒領域制御（LDFC）を用いて、急速に変化する大気的スプライクルを抑制し、光子ノイズを低減し、長時間積算を可能にする。
• IRD分光計（R ≈ 65,000）を用いて、ファイバー結合光を分散させ、テンプレートスペクトルとのクロス相関により、惑星の大気中の分子特徴の高分解能検出を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単モードファイバー注入と、後コロナグラフ型スプライクル制御を組み合わせることで、高分解能分光法において、ホスト星からの惑星光を十分に分離する対比を達成できるか？
• RQ2 予測制御とLDFCは、暗黒領域における大気的スプライクルをどの程度抑制できるか？これにより、惑星スペクトルの信噪比がどの程度向上するか？
• RQ3 惑星位置にファイバーを注入した光を供給する場合、IRD分光計が、系外惑星の大気中の分子特徴をどの程度効果的に検出できるか？
• RQ4 現在の8mクラス望遠鏡を用いたこのHDC技術で、惑星スペクトルの達成可能な対比と信噪比はどの程度か？
• RQ5 この手法は、将来の極大望遠鏡（ELT）にスケーリング可能であり、地球型系外惑星の大気特徴の同定を可能にするか？

主な発見

• SCExAOとIRDの組み合わせにより、地上8m望遠鏡で、系外惑星特徴のための最初の高対比微分分光法（HDC）の実験的実証が達成された。
• 可変ミラーを用いたスプライクルヌルイングにより、準静的スプライクルの影響を100～1000倍低減し、対比の著しい向上が確認された。
• 大気乱流が存在する中でも、静的スプライクル抑制により、平均で約3倍の光度低減が達成され、高い耐障害性が示された。
• 予測制御とLDFCが、急速に変化する大気的スプライクルの抑制に有効であることが実証され、長時間積算が可能になり、信噪比が向上した。
• システムは2018年中ごろまでに日常的な科学運用が可能になると予想され、同時に星および地上大気の校正を伴う高分解能（R > 10,000）分光法が可能になる。
• この手法は、ELTで地球型系外惑星の大気中の分子特徴を検出するための実現可能な道筋を提供し、大気リトリーブに十分な信噪比を達成できる可能性を秘めている。