[論文レビュー] Searching for faint companions with VLTI/PIONIER. I. Method and first results

Olivier Absil, J.-B. Le Bouquin+11 more|CaltechAUTHORS (California Institute of Technology)|Oct 6, 2011

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 30被引用数 38

ひとこと要約

本論文は、VLTI/PIONIERを用いた新規干渉計的手法を提示し、クロージャー位相解析により、深積分で最大1:500のダイナミックレンジを達成して微弱な恒星連星を検出する。Fomalhautおよびtau Cetの近赤外過剰は、点状の連星ではなく拡張したチリディスクに起因することを確認し、40 masの分離で既知の連星を直接検出することに成功した。その輝度比は2.05×10⁻²であった。

ABSTRACT

Context. A new four-telescope interferometric instrument called PIONIER has recently been installed at VLTI. It provides improved imaging capabilities together with high precision. Aims. We search for low-mass companions around a few bright stars using different strategies, and determine the dynamic range currently reachable with PIONIER. Methods. Our method is based on the closure phase, which is the most robust interferometric quantity when searching for faint companions. We computed the chi^2 goodness of fit for a series of binary star models at different positions and with various flux ratios. The resulting chi^2 cube was used to identify the best-fit binary model and evaluate its significance, or to determine upper limits on the companion flux in case of non detections. Results. No companion is found around Fomalhaut, tau Cet and Regulus. The median upper limits at 3 sigma on the companion flux ratio are respectively of 2.3e-3 (in 4 h), 3.5e-3 (in 3 h) and 5.4e-3 (in 1.5 h) on the search region extending from 5 to 100 mas. Our observations confirm that the previously detected near-infrared excess emissions around Fomalhaut and tau Cet are not related to a low-mass companion, and instead come from an extended source such as an exozodiacal disk. In the case of del Aqr, in 30 min of observation, we obtain the first direct detection of a previously known companion, at an angular distance of about 40 mas and with a flux ratio of 2.05e-2 \pm 0.16e-2. Due to the limited u,v plane coverage, its position can, however, not be unambiguously determined. Conclusions. After only a few months of operation, PIONIER has already achieved one of the best dynamic ranges world-wide for multi-aperture interferometers. A dynamic range up to about 1:500 is demonstrated, but significant improvements are still required to reach the ultimate goal of directly detecting hot giant extrasolar planets.

研究の動機と目的

• 明るい星の周囲に微弱な連星を高ダイナミックレンジで検出するための、多アパーチャー干渉計法の堅牢な手法の開発。
• VLTIにおける新規PIONIER機器の現在のダイナミックレンジ性能を特定すること。
• Fomalhaut、tau Cet、Regulusの周囲で過去に検出された近赤外過剰が、解像不能な低質量連星に起因するのか、それとも拡張した放射源に起因するのかを検証すること。
• 偽の連星を組み込んだ二重盲検テストを通じて、手法の妥当性を検証すること。
• 高角分解能下での既知の連星の直接検出可能性を、改善されたアストロメトリック精度を用いて実証すること。

提案手法

• クロージャー位相解析に依存する手法であり、大気的および機器的位相誤差に対して不感であるため、微弱な連星の検出に強く、信頼性が高い。
• 最良の二重星モデルを特定するために、連星の位置と輝度比の3次元パラメータ空間でカイ二乗適合度テストを実施する。
• 得られたカイ二乗キューブを用いて、検出の有意性を評価するか、非検出状況では3σの上界を設定する。
• 複数の基線配置（u,v平面カバレッジ）を用い、少なくとも4〜5回の校正済み観測（OBs）を異なる時角で実施することで、系統誤差を最小限に抑える。
• 基準星を用いて校正を実施し、複数の校正星のデータを用いることで、系統的ドリフトを低減する。
• フレアのドリフトや大気の変動といった潜在的な系統的誤差を、複数回の観測を平均化し、安定した校正星を用いることで対処する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PIONIERが明るい未解像星の周囲で微弱な連星を検出可能な最大のダイナミックレンジは何か？
• RQ2 Fomalhautおよびtau Cetの周囲で過去に観測された近赤外過剰は、低質量連星に起因するのか、それとも拡張した放射源に起因するのか？
• RQ3 PIONIERは高角分解能で、過去に正確に把握されていなかった既知の連星を直接検出できるか？
• RQ4 校正済み観測の回数が、連星検出の信頼性およびアストロメトリック精度に与える影響は何か？
• RQ5 PIONIERの現在の構成でダイナミックレンジを制限する主な系統的誤差は何か？

主な発見

• Fomalhaut（4時間積分）では2.3×10⁻³、tau Cet（3時間）では3.5×10⁻³、Regulus（1.5時間）では5.4×10⁻³が、5–100 masの探索領域における中央値3σ上界として得られた。
• Fomalhautおよびtau Cetの連星非検出は、それらの近赤外過剰が点状の連星ではなく、エキゾジラスディスクなどの拡張した源に起因することを確認した。
• delta Aquariiの周囲で40 masの分離で連星を直接検出できた。その輝度比は2.05×10⁻² ± 0.16×10⁻²であったが、u,v平面カバレッジが限られているため位置は曖昧のままであった。
• 深積分（数時間）により1:500のダイナミックレンジが達成された。一方、3回の高品質観測（約1時間）では1:200が日常的に行える。
• 90%の完全度において、ダイナミックレンジはFomalhautで1:360、tau Cetで1:220、Regulusで1:130であった。実用的検出状況での感度向上を示している。
• 将来的なPIONIERのアップグレード（より速いフレアスキャン、改善された校正）により、1:1000のダイナミックレンジが達成可能になると予想されるが、ホット・ジュピター検出のための1:5000への到達は不確実のままである。