[論文レビュー] First light of the VLT planet finder SPHERE. III. New spectrophotometry and astrometry of the HR8799 exoplanetary system

A. Zurlo, A. Vigan+71 more|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2015

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 2被引用数 88

ひとこと要約

本論文は、VLTのSPHERE機器を用いてHR 8799系外惑星系の高感度近赤外線画像および低分解能分光法を実施し、惑星eの初のJバンド検出を達成するとともに、スペクトルエネルギー分布（SED）のカバー範囲を向上させた。高精度な天体測位および光度測定が得られ、軌道共鳴の制約がなされ、潜在的な内側惑星fの質量上限が特定された。

ABSTRACT

The planetary system discovered around the young A-type HR8799 provides a unique laboratory to: a) test planet formation theories, b) probe the diversity of system architectures at these separations, and c) perform comparative (exo)planetology. We present and exploit new near-infrared images and integral-field spectra of the four gas giants surrounding HR8799 obtained with SPHERE, the new planet finder instrument at the Very Large Telescope, during the commissioning and science verification phase of the instrument (July-December 2014). With these new data, we contribute to completing the spectral energy distribution of these bodies in the 1.0-2.5 $μ$m range. We also provide new astrometric data, in particular for planet e, to further constrain the orbits. We used the infrared dual-band imager and spectrograph (IRDIS) subsystem to obtain pupil-stabilized, dual-band $H2H3$ (1.593 $μ$m, 1.667 $μ$m), $K1K2$ (2.110 $μ$m, 2.251 $μ$m), and broadband $J$ (1.245 $μ$m) images of the four planets. IRDIS was operated in parallel with the integral field spectrograph (IFS) of SPHERE to collect low-resolution ($R\sim30$), near-infrared (0.94-1.64 $μ$m) spectra of the two innermost planets HR8799d and e. The data were reduced with dedicated algorithms, such as the Karhunen-Loève image projection (KLIP), to reveal the planets. We used the so-called negative planets injection technique to extract their photometry, spectra, and measure their positions. We illustrate the astrometric performance of SPHERE through sample orbital fits compatible with SPHERE and literature data.

研究の動機と目的

• SPHEREのIRDISおよびIFS機器を用いて、コンmissioningおよび科学検証期間中にHR 8799系外惑星の高感度分光光度測定および天体測位を取得すること。
• 1.0–2.5 μm範囲における4つの惑星のスペクトルエネルギー分布（SED）を改善し、特にYバンドへのカバー範囲を拡大すること。
• 複数の観測エポックからの新しい天体測位測定を用いて、内側惑星dおよびeの軌道制約を精緻化すること。
• SPHEREの感度を基に、仮想の内側惑星fの検出可能性を評価し、その可能な質量を制限すること。
• HR 8799 dおよびeの観測スペクトルおよび色を、場のL矮星と比較し、若さやほこりの有無を示す乖離を調査すること。

提案手法

• 残りのスピークルを抑制するために、pupil-stabilizedモードでSPHEREのIRDISを用いて、二重バンド（H2H3、K1K2）およびブロードバンド（J）画像を取得した。
• 同時に、SPHEREのIFSを用いて、YHバンド（0.94–1.64 μm）で低分解能（R ~ 30）の積分場分光法を、惑星dおよびeに対して同時取得した。
• 星のハローを抑制し、微弱な惑星信号を明らかにするために、高度な後処理技術（Karhunen-Loève Image Projection（KLIP）およびT-LOCI）を適用した。
• 光度測定、天体測位、スペクトル測定のキャリブレーションを、ロバストな誤差推定とともに、負の同伴注入法を用いて行った。
• SPHEREデータとアーカイブ天体測位（例：HST）を組み合わせ、軌道フィッティングおよび動的安定性の評価を実施した。
• 観測SEDおよびスペクトルを、場のL6–L8矮星および若くほこりの多い天体と比較し、大気的および進化的差異を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HR 8799 b–eの1.0–2.5 μm範囲におけるスペクトルエネルギー分布は何か？また、場のL矮星と比較してどう異なるか？
• RQ2 SPHEREはJバンドで惑星eを検出可能か？複数エポックにわたるその光度および天体測位的挙動は何か？
• RQ3 惑星dおよびeの最も整合性の高い軌道解は何か？2:1または3:2のような共鳴配置を支持するか？
• RQ4 SPHEREの感度および軌道的安定性の制約に基づいて、仮想の内側惑星fにどの程度の質量上限を設定できるか？
• RQ5 HR 8799 dおよびeが1.6 μm以上で場のL矮星よりも赤くなるのはなぜか？これは大気的性質にどのような含意を持つのか？

主な発見

• HR 8799 eの初のJバンド（1.245 μm）検出が達成され、Yバンドへの光度測定カバー範囲が拡大された。
• J、H2H3、K1K2バンドにおける光度測定の平均精度は0.13 magであり、以前のデータに比べて信号対雑音比が著しく向上した。
• 2014年8月の高SNR IFSデータを用いて、惑星b、c、d、eの天体測位位置がそれぞれ2–4 masの不確実性で測定された。
• 軌道フィッティングは、2:1（d:e）および3:2（d:e）の共鳴配置を支持するが、後者の方がデータとより整合性が高い。
• 仮想の内側惑星fがIFSで検出可能となるのは、質量が3–7 M_Jupを超える場合であり、安定性シミュレーションにより、1.5–4.5 M_Jup未満の惑星は共鳴状態に依存して除外された。
• HR 8799 dおよびeのスペクトルはYHバンドでL6–L8場の矮星と一致するが、より長い波長で赤過剰を示しており、若さやほこりに関連する大気的差異を示唆している。