[論文レビュー] Exoplanets with ELT-METIS I: Estimating the direct imaging exoplanet yield around stars within 6.5 parsecs

Rory Bowens, Michael R. Meyer+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2021

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 2被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、欧州 Extremely Large Telescope (ELT) の METIS 計器を用いて、近隣の星まわりの系外惑星の直接画像化効率を予測する。中赤外線 N2 バンド (10.10–12.40 µm) における観測をシミュレートし、ケプラーの出現率と現実的なコントラスト曲線を用いたモンテカルロシミュレーションにより、N2 バンドでは1時間の積算時間あたり1.14個の惑星が予測される。これは L バンドおよび M バンドを上回り、背景制限領域においては少なくとも1つの木星型惑星を検出する確率が24.6%である。

ABSTRACT

Direct imaging is a powerful exoplanet discovery technique that is complementary to other techniques and offers great promise in the era of 30 meter class telescopes. Space-based transit surveys have revolutionized our understanding of the frequency of planets at small orbital radii around Sun-like stars. The next generation of extremely large ground-based telescopes will have the angular resolution and sensitivity to directly image planets with $R < 4R_\oplus$ around the very nearest stars. Here, we predict yields from a direct imaging survey of a volume-limited sample of Sun-like stars with the Mid-Infrared ELT Imager and Spectrograph (METIS) instrument, planned for the 39 m European Southern Observatory (ESO) Extremely Large Telescope (ELT) that is expected to be operational towards the end of the decade. Using Kepler occurrence rates, a sample of stars with spectral types A-K within 6.5 pc, and simulated contrast curves based on an advanced model of what is achievable from coronagraphic imaging with adaptive optics, we estimated the expected yield from METIS using Monte Carlo simulations. We find the METIS expected yield of planets in the N2 band (10.10 - 12.40 $μ$m) is 1.14 planets, which is greater than comparable observations in the L (3.70 - 3.95 $μ$m) and M (4.70 - 4.90 $μ$m) bands. We also determined a 24.6% chance of detecting at least one Jovian planet in the background limited regime assuming a 1 hour integration. We calculated the yield per star and estimate optimal observing revisit times to increase the yield. We also analyzed a northern hemisphere version of this survey and found there are additional targets worth considering. In conclusion, we present an observing strategy aimed to maximize the possible yield for limited telescope time, resulting in 1.48 expected planets in the N2 band.

研究の動機と目的

• 太陽型の星を周回する系外惑星の直接画像化効率を、6.5パーセク圏内で ELT の METIS 計器を用いて推定すること。
• 小規模で低温の惑星を検出するための中赤外線 (N2 バンド) 直接画像化の性能を、L バンドおよび M バンドと比較すること。
• 最大の検出効率を得るために、最適な再訪問時間および調査構成を特定することにより、観測戦略を最適化すること。
• 背景制限領域において、質量が大きく寒冷な木星型惑星を検出可能な可能性を評価すること。
• 北半球の ELT 立地候補地の可能性を検討し、ターゲットのサンプルを拡大できるかを検討すること。

提案手法

• ケプラーの出現率に基づき、半径が 4R⊕ 未満で公転周期が 640 日未塔の惑星を想定し、モンテカルロシミュレーションを用いて系外惑星検出の可能性をモデル化した。
• ELT における METIS の性能を再現するため、高度な適応光学およびコロナグラフ画像化モデルを用いて、仮想のコントラスト曲線を構築した。
• スペクトルエネルギー分布モデルと太陽金属量の BEX モデルからの惑星の発光量推定値を用い、N2 バンド、L バンド、M バンドにおける検出可能な放射束を予測した。
• 露出時間の積分を考慮し、背景制限領域および光子ノイズ制限領域の両方を想定して、検出確率を計算した。
• 複数エポックの観測を評価し、望遠鏡時間単位あたりの検出効率を最大化する最適な再訪問時間を特定した。
• 北半球の ELT 立地を想定し、同等の調査性能とターゲットの可用性をシミュレートすることで、分析を拡張した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 METIS は、6.5 pc 圈内の星の周囲の系外惑星を、N2 バンド、L バンド、M バンドの各赤外線帯でどれくらいの割合で直接画像化できるか？
• RQ2 N2 バンドの性能は、L バンドおよび M バンドと比較して、検出可能な惑星の数にどの程度優位であるか？
• RQ3 1時間の積算時間で、背景制限領域において少なくとも1つの木星型惑星を検出する確率はどのくらいか？
• RQ4 観測戦略（再訪問時間など）を最適化することで、限られた望遠鏡時間で期待される検出数を最大限にできるか？
• RQ5 北半球の ELT 調査では、南半球のターゲットに加えて追加の有効なターゲットが得られるか？それらは南半球のターゲットと比較してどの程度の性能を示すか？

主な発見

• METIS 計器は、半径が 1R⊕ 以上で公転周期が 640 日未塔の惑星を対象に、N2 バンド (10.10–12.40 µm) で1時間の積算時間あたり1.14個の系外惑星を検出すると予測される。
• N2 バンドは、L バンドおよび M バンドを上回り、熱放射による小規模で低温の惑星の検出に優れた感度を示す。
• 同じ系外惑星が2つ以上の赤外線帯で検出される確率は42.1%であり、検出の信頼性を高めるとともに、多波長の特徴付けが可能になる。
• 1時間の積算時間で背景制限領域において少なくとも1つの木星型惑星を検出する確率は24.6%であり、質量が大きく寒冷な惑星の発見に強く期待できる。
• N2 バンド、M バンド、L バンドをそれぞれ1時間ずつ観測した場合、期待される検出数は1.41個に増加し、多波長観測の利点が明確に示された。
• 本研究では、ELT を用いた中赤外線画像化の有意義な発見空間が同定され、北半球の立地が補完的なターゲットアクセスと、調査範囲の拡大の可能性を提供することが示された。