[論文レビュー] ET White Paper: To Find the First Earth 2.0

Jian Ge, Hui Zhang+165 more|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2022

Astronomy and Astrophysical ResearchPhysics and Astronomy被引用数 17

ひとこと要約

ETミッションは、地球付近のL2ラグランジュ点に7台の30cm望遠鏡を配置し、地上望遠鏡と連携して、地球サイズの惑星、特にEarth 2.0を軌道移動法と微小レンズ効果を用いて検出する宇宙望遠鏡計画である。このミッションは、30mクラスの地上望遠鏡を用いた高精度径速度追従観測と、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）およびTMTを用いたハビタブルゾーン惑星の大気特性評価を可能にし、地球に似た世界の探索を顕著に前進させる。

ABSTRACT

We propose to develop a wide-field and ultra-high-precision photometric survey mission, temporarily named "Earth 2.0 (ET)". This mission is designed to measure, for the first time, the occurrence rate and the orbital distributions of Earth-sized planets. ET consists of seven 30cm telescopes, to be launched to the Earth-Sun's L2 point. Six of these are transit telescopes with a field of view of 500 square degrees. Staring in the direction that encompasses the original Kepler field for four continuous years, this monitoring will return tens of thousands of transiting planets, including the elusive Earth twins orbiting solar-type stars. The seventh telescope is a 30cm microlensing telescope that will monitor an area of 4 square degrees toward the galactic bulge. This, combined with simultaneous ground-based KMTNet observations, will measure masses for hundreds of long-period and free-floating planets. Together, the transit and the microlensing telescopes will revolutionize our understandings of terrestrial planets across a large swath of orbital distances and free space. In addition, the survey data will also facilitate studies in the fields of asteroseismology, Galactic archeology, time-domain sciences, and black holes in binaries.

研究の動機と目的

• 太陽型星の周囲に回る地球サイズの惑星の出現率と軌道分布を測定すること。
• 特に銀河のバルジ領域において、長周期および自由飛行惑星を微小レンズ効果を用いて検出すること。
• 大気特性評価に適した近接で明るい軌道移動惑星である地球型惑星を同定すること。
• 30mクラスの地上望遠鏡を用いて、地球に類似した惑星（Earth twins）の高精度径速度追従観測を可能にすること。
• ケプラーとTESSが見逃したハビタブルゾーンの惑星を対象とすることで、エクストラソーラン惑星調査における重要な空白を埋めること。

提案手法

• 地球-太陽L2点に7台の30cm望遠鏡を展開：6台の軌道移動望遠鏡（視野500 deg²）、1台の微小レンズ望遠鏡（視野4 deg²）。
• 4年間にわたる連続的観測を通じて、元のケプラー領域に存在する軌道移動惑星を検出する。
• 同時に地上のKMTNet観測を用いて、微小レンズイベントの検出と質量測定を強化する。
• TMTに搭載されるESPRESSO型機器を想定し、30mクラス望遠鏡を用いて地球質量惑星の径速度測定をシミュレートする。
• G型およびK型星の周囲を回る地球型惑星の大気スペクトルを、JWSTおよびTMTを用いてモデル化し、信号対雑音比（SNR）を評価する。
• 太陽系の内部構造解析、銀河考古学、時間領域研究、二重ブラックホール検出の分野における統合的データ解析を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽型星のハビタブルゾーンに存在する地球サイズの惑星の出現率はどの程度か？
• RQ2 宇宙望遠鏡を用いた微小レンズ効果は、長周期および自由飛行惑星を高い質量感度で検出可能か？
• RQ3 30mクラスの地上望遠鏡が、V ≈ 15の星の周囲で、径速度測定により地球質量惑星を3-σで検出可能か？
• RQ4 JWSTおよびTMTを用いて、明るいG型およびK型星の周囲を回る地球型惑星の大気吸収特徴をどの程度検出可能か？
• RQ5 ETの光度測定および分光測定能力は、惑星系の構造と生命可能性に関する制約をどのように改善するか？

主な発見

• TMTに類似した機器を用いて300夜の観測を実施した場合、V ≈ 15の太陽型星の周囲に存在する地球質量惑星を径速度測定により3-σで検出可能である。
• 合計100時間の露出時間の仮定のもと、JWSTはV = 8のG型星およびK型星の周囲を回る地球型惑星の大気吸収特徴を検出可能である。
• TMTは、G型星（V = 10）およびK型星（V = 10）の周囲を回る同じ大気特徴を100時間の露出時間で検出可能であり、近接で明るい標的に対する高い感度を示す。
• シミュレートされた透過スペクトルは、現実的な観測条件下でも、分子特徴（例：O₂、H₂O、CO₂）の検出可能なSNRを示している。
• ETの軌道移動調査は、太陽型星の周囲に多数存在する地球型惑星（Earth twins）を含め、数万個の軌道移動惑星を発見すると予想される。
• 併せて得られる軌道移動および微小レンズ観測により、長周期および自由飛行惑星の質量測定が数百個に及ぶようになり、エクストラソーラン惑星の人口統計における重要な空白が埋められる。