[論文レビュー] Performance of the VLT Planet Finder SPHERE I. Photometry and astrometry precision with IRDIS and IFS in laboratory

A. Zurlo, A. Vigan+27 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2014

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 60被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、合成惑星を注入したラボデータを用いて、SPHERE機器のIRDISおよびIFSサブシステムの光度測定および天球測定精度を評価している。IRDISは、β Picの明るい10 M_Jup惑星に対して約0.16 magの光度測定誤差と1.1 masの天球測定誤差を達成するのに対し、IFSは1チャンネルあたり0.15 mag、天球測定誤差0.6 masを達成し、角度差分画像法に依存せずに直接撮像された系外惑星の高精度な特徴付けが可能であることを示している。

ABSTRACT

The new planet finder for the Very Large Telescope (VLT), the Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet REsearch (SPHERE), just had its first light in Paranal. A dedicated instrument for the direct detection of planets, SPHERE, is composed of a polametric camera in visible light, the Zurich IMager POLarimeter (ZIMPOL), and two near-infrared sub-systems: the Infra-Red Dual-beam Imager and Spectrograph (IRDIS), a multi-purpose camera for imaging, polarimetry, and long-slit spectroscopy, and the integral field spectrograph (IFS), an integral field spectrograph. We present the results obtained from the analysis of data taken during the laboratory integration and validation phase, after the injection of synthetic planets. Since no continuous field rotation could be performed in the laboratory, this analysis presents results obtained using reduction techniques that do not use the angular differential imaging (ADI) technique. To perform the simulations, we used the instrumental point spread function (PSF) and model spectra of L and T-type objects scaled in contrast with respect to the host star. We evaluated the expected error in astrometry and photometry as a function of the signal to noise of companions, after spectral differential imaging (SDI) reduction for IRDIS and spectral deconvolution (SD) or principal component analysis (PCA) data reductions for IFS. We deduced from our analysis, for example, that $β$Picb, a 12~Myr old planet of $\sim$10~\MJ and semi-major axis of 9--10 AU, would be detected with IRDIS with a photometric error of 0.16~mag and with a relative astrometric position error of 1.1~mas. With IFS, we could retrieve a spectrum with error bars of about 0.15~mag on each channel and astrometric relative position error of 0.6~mas. For a fainter object such as HR8799d, a 13~\MJ planet at a distance of 27~AU, IRDIS could obtain a relative astrometric error of 3~mas.

研究の動機と目的

• 制御されたラボ環境下におけるSPHEREのIRDISおよびIFSの光度測定および天球測定性能を評価すること。
• スペクトル差分画像法（SDI）およびスペクトル分解能（SD）／主成分分析（PCA）を用いた直接撮像された系外惑星の光度測定、天球測定、分光測定における予想される誤差を定量化すること。
• 若い、自己発光性の高い系外惑星を、主星から大規模な距離に位置する場合に検出・特徴付けるための機器の能力を評価すること。
• 特にβ Pic bやHR 8799 dのような対象を想定し、将来的な実空観測のための誤差見積もりの基盤を提供すること。
• 高精度天球測定を用いた偽陽性の除外および軌道パラメータの高精度決定を支援すること。

提案手法

• 既知の対比比および分離距離を持つ合成惑星を、IRDISおよびIFSの生データに注入した。
• 機器のポイント spread 関数（PSF）およびL型・T型天体のモデルスペクトルを用いて、同伴信号を模擬した。
• IRDISではSDI低減処理、IFSではSDまたはPCAを適用した後、信号対雑音比（S/N）の関数として光度測定および天球測定誤差を計算した。
• ラボ環境ではフィールド回転が存在しないため、角度差分画像法（ADI）は除外され、SDIおよびPCAベースの手法に焦点を当てた。
• 校正の不確実性および機器ノイズの寄与を含む、光度測定および天球測定の誤差予算を導出した。
• VLT/NACOなどの既存機器と同等の対象（例：β Pic b や HR 8799 d）を用いて、性能をベンチマークした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ラボ条件下におけるSPHEREのIRDISおよびIFSが直接撮像された系外惑星に対して予想される光度測定精度はどの程度か？
• RQ2 SDIおよびPCAベースのデータ低減法を用いた場合、さまざまな信号対雑音比（S/N）における同伴の天球測定精度はどの程度達成可能か？
• RQ3 β Pic bの光度測定および天球測定誤差は、SPHEREとVLT/NACOなどの以前の機器と比較してどのように異なるか？
• RQ4 SPHEREのIFSは、1スペクトルチャンネルあたりどの程度の低誤差で高精度分光測定を達成できるか？
• RQ5 校正の不確実性および機器の制限は、光度測定および天球測定における最小達成可能誤差にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• β Pic b（12 Myr、約10 M_Jup、9–10 AU）に対して、IRDISは光度測定誤差0.16 mag、相対天球測定位置誤差1.1 masを達成した。
• IFSを用いることで、同じ対象に対して1チャンネルあたり約0.15 magのスペクトル誤差バーおよび相対天球測定誤差0.6 masを達成した。
• より暗いHR 8799d（13 M_Jup、27 AU）に対しては、IRDISが相対天球測定誤差3 masを達成し、NACOの13 masよりも顕著に向上した。
• β Pic bの光度測定誤差0.16 magは、CONDまたはDUSTYモデルを用いると質量不確実性約0.5 M_Jupに相当し、コア蓄積モデルでは1–2 M_Jupに相当する。
• 高精度天球測定（ミリ秒オーダー）により、共動同伴の信頼できる検出が可能となり、短基線での真の惑星と背景星の区別が容易になる。
• 結果から、SPHEREの性能は、特にKLIP低減法を用いた角度差分画像法（ADI）と組み合わせることで、実空観測時に顕著に向上する可能性があると示唆された。