[論文レビュー] ESPRESSO: The next European exoplanet hunter

F. Pepe, P. Molaro+56 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2014

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 5

ひとこと要約

ESPRESSOは、最大4台の8.2メートルUnit Telescopeからの光を統合することで、10 cm/sの径速度精度を達成する次世代の高分解能分光計である。この分光計により、生命的な領域に存在する岩石惑星の超高精度な検出・特徴付けが可能となり、基本物理定数の変動の検証も可能となる。

ABSTRACT

The acronym ESPRESSO stems for Echelle SPectrograph for Rocky Exoplanets and Stable Spectroscopic Observations; this instrument will be the next VLT high resolution spectrograph. The spectrograph will be installed at the Combined-Coudé Laboratory of the VLT and linked to the four 8.2 m Unit Telescopes (UT) through four optical Coudé trains. ESPRESSO will combine efficiency and extreme spectroscopic precision. ESPRESSO is foreseen to achieve a gain of two magnitudes with respect to its predecessor HARPS, and to improve the instrumental radial-velocity precision to reach the 10 cm/s level. It can be operated either with a single UT or with up to four UTs, enabling an additional gain in the latter mode. The incoherent combination of four telescopes and the extreme precision requirements called for many innovative design solutions while ensuring the technical heritage of the successful HARPS experience. ESPRESSO will allow to explore new frontiers in most domains of astrophysics that require precision and sensitivity. The main scientific drivers are the search and characterization of rocky exoplanets in the habitable zone of quiet, nearby G to M-dwarfs and the analysis of the variability of fundamental physical constants. The project passed the final design review in May 2013 and entered the manufacturing phase. ESPRESSO will be installed at the Paranal Observatory in 2016 and its operation is planned to start by the end of the same year.

研究の動機と目的

• 近隣の星の生命的領域に存在する低質量・岩石惑星を検出する高精度分光計の開発。
• 太陽型星およびM型矮星の周りに存在する地球質量惑星を検出できる10 cm/sレベルの径速度精度を達成すること。
• 信号対雑音比と観測効率を向上させるために、最大4台のVLT Unit Telescopeを同時に使用できるようにすること。
• 長期間にわたる高安定分光観測を用いて、基本物理定数の変動の可能性を調査すること。
• ESOのデータフローおよび制御システムに完全統合し、ビジターモードおよびサービスモードの両方でシームレスに運用できるようにすること。

提案手法

• Coudéトレインを介して、最大4台の8.2メートルVLT Unit Telescopeからの光を、統合Coudéラボラトリーに設置された中央分光計に集光する。
• レーザー周波数コンブを用いた同時波長基準系を採用し、分光計の安定化と機器のずれ補正を実現する。
• 観測後1分以内に科学データとして利用可能な状態にまで自動化されたデータ還元パイプライン（DRS）を実装する。
• 星の大気パラメータ、クェザー連続スペクトルのフィッティング、吸収系の検出のための事前設定済みレシピを備えた高度なデータ解析ソフトウェア（DAS）を統合する。
• レガシーテクノロジーのVMEに代わって、PLCおよびCOTS TCCDを採用した最新の制御システムを導入し、信頼性と保守性を向上させる。
• 極めて高い熱的・機械的安定性を設計に組み込むことで、機器ノイズを最小限に抑え、長期にわたる分光精度を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数の大型望遠鏡からの光を統合する手法を用いて、分光計が10 cm/s未満の径速度精度を達成できるか？
• RQ2 高スルーレットで複数UTを対象とする分光計において、レーザー周波数コンブを用いた同時基準法を効果的に実装するにはどうすればよいか？
• RQ3 地上に設置され、高頻度で使用される観測所環境下で、極めて高い安定性と精度を維持するための設計的イノベーションとは何か？
• RQ4 データフローおよび制御システムをどのように統合すれば、遅延を最小限に抑えながらビジターモードおよびサービスモードの両方をサポートできるか？
• RQ5 ESPRESSOは、M型矮星の周りに存在する地球質量惑星の検出および基本物理定数の長期的変動測定において、どの程度の成果を上げられるか？

主な発見

• ESPRESSOは10 cm/sの予想される径速度精度を達成し、前身のHARPSと比較して感度が2桁向上した。
• 本装置は1〜4台のVLT Unit Telescopeと連携して運用可能であり、有効集光面積と信号対雑音比が顕著に向上する。
• データ還元パイプライン（DRS）は完全自動化されており、観測後1分以内に科学的利用可能な高精度径速度測定結果を出力できる。
• ESPRESSOの制御システムは最新のPLCおよびCOTS部品を採用しており、レガシーなVME技術から移行したことで保守性とスケーラビリティが向上した。
• 本装置は2016年にパラナル天文台に設置予定であり、同年末までに運用を開始する予定である。
• ESPRESSOは、生命的領域に存在する岩石惑星の検出や、基本物理定数の長期的モニタリングといった重要な科学的課題を支援する。