[論文レビュー] Predictions of the Nancy Grace Roman Space Telescope Galactic Exoplanet Survey II: Free-Floating Planet Detection Rates

Samson A. Johnson, Matthew T. Penny+6 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Jun 18, 2020

Historical Astronomy and Related Studies被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、ナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡が重力レンズ効果を用いて、質量が0.1地球質量（M⊕）にまで及ぶ約250個の自由飛行型惑星質量天体（FFPs）を検出すると予測している。観測対象は、1.5時間という短い時間スケールの微小レンズ効果イベントであり、現在の制約と比較してFFP集団の上限を少なくとも1桁以上改善する。

ABSTRACT

The Nancy Grace Roman Space Telescope (Roman) will perform a Galactic Exoplanet Survey (RGES) to discover bound exoplanets with semi-major axes greater than 1 au using gravitational microlensing. Roman will even be sensitive to planetary mass objects that are not gravitationally bound to any host star. Such free-floating planetary mass objects (FFPs) will be detected as isolated microlensing events with timescales shorter than a few days. A measurement of the abundance and mass function of FFPs is a powerful diagnostic of the formation and evolution of planetary systems, as well as the physics of the formation of isolated objects via direct collapse. We show that Roman will be sensitive to FFP lenses that have masses from that of Mars ($0.1 M_\oplus$) to gas giants ($M\gtrsim100M_\oplus$) as isolated lensing events with timescales from a few hours to several tens of days, respectively. We investigate the impact of the detection criteria on the survey, especially in the presence of finite-source effects for low-mass lenses. The number of detections will depend on the abundance of such FFPs as a function of mass, which is at present poorly constrained. Assuming that FFPs follow the fiducial mass function of cold, bound planets adapted from Cassan et al. (2012), we estimate that Roman will detect $\sim250$ FFPs with masses down to that of Mars (including $\sim 60$ with masses $\le M_\oplus$). We also predict that Roman will improve the upper limits on FFP populations by at least an order of magnitude compared to currently-existing constraints.

研究の動機と目的

• ローマン宇宙望遠鏡の銀河系系外惑星調査を用いた、自由飛行型惑星質量天体（FFPs）の検出率を予測すること。
• 微小レンズ効果を用いて、火星程度の質量（0.1 M⊕）からガス惑星（≥100 M⊕）までのFFPsに対する感度を評価すること。
• 特に有限光源効果が低質量FFPsの同定に与える影響を定量化すること。
• 現在の観測的制約と比較して、FFP集団の上限がどの程度改善されるかを推定すること。
• 微小レンズ効果の視差および視角エインシュタイン半径の測定が、孤立したFFPsの質量決定をどのように可能にするかを評価すること。

提案手法

• GULLSソフトウェアを用いたシミュレーションにより、ローマン銀河系系外惑星調査からの微小レンズ効果イベントをモデル化する。
• 0.1 M⊕から≥100 M⊕の質量を持つFFPsの微小レンズ光曲線を、1.5時間から数日間の時間スケールでモデル化する。
• 低質量レンズの検出バイアスを評価するため、有限光源効果を組み込む。特に、巨星でない光源星に対する影響を検討する。
• 光源の輝度、色、角半径（θ*）の経験的関係を用い、視差測定と組み合わせて視角エインシュタイン半径（θE）を推定する。
• 地上および宇宙機器からの同時観測による微小レンズ効果の視差測定を応用し、デゲネラシーを解消し、レンズ質量を決定する。
• Cassanら（2012）の基準的質量関数を、束縛惑星に適用したものを、FFP集団の分布推定に適応する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ローマン宇宙望遠鏡の銀河系系外惑星調査により、自由飛行型惑星質量天体（FFPs）の検出率はどの程度期待されるか？
• RQ2 この調査は、質量が0.1 M⊕にまで及ぶFFPsにどの程度感度を持つのか？また、検出に必要な時間スケールは何か？
• RQ3 有限光源効果は、特に光源星が巨星ではない場合に、低質量FFPsの検出可能性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 ローマンと地上望遠鏡からの微小レンズ効果の視差測定は、孤立したFFPsの質量推定をどの程度改善するか？
• RQ5 ローマンの観測は、現在の観測的制約と比較して、FFPの存在頻度の上限をどの程度改善するか？

主な発見

• ローマン宇宙望遠鏡は、約250個の自由飛行型惑星質量天体（FFPs）を検出すると予測されており、そのうち約60個が1 M⊕以下の質量を有すると予想される。
• 調査は、質量が0.1 M⊕にまで及ぶFFPsを検出可能であり、これは1.5時間という短い時間スケールの微小レンズ効果イベントに対応する。
• 有限光源効果は、特に光源星が巨星でない場合に、低質量レンズの検出効率に影響を与えると予想され、非巨星星に対する補正関係の確立が不可欠である。
• ローマンは、既存の制約と比較して、FFP集団の上限を少なくとも1桁以上改善する。
• 視差測定と有限光源効果の測定を組み合わせることで、FFPsの質量測定が可能となり、視角エインシュタイン半径およびレンズ質量の決定が可能になる。
• この調査は、星の初期質量関数および惑星系からの動的脱出に関する重要な知見を提供する。