[論文レビュー] SPHERE+: Imaging young Jupiters down to the snowline

A. Boccaletti, G. Chauvin+131 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2020

Astro and Planetary Science参考文献 2被引用数 22

ひとこと要約

SPHERE+は、VLTのSPHERE機器に大幅なアップグレードを施し、雪線まで降下する若い木星型惑星の高対比画像化を可能にする。可視光および赤外線チャンネルにおける感度、コントラスト、スペクトル分解能の向上が図られ、先進的な波フロント制御、新しい偏光モード、高速可視光IFSの統合により、原始惑星系円盤および惑星周囲構造の検出が顕著に向上する。

ABSTRACT

SPHERE (Beuzit et al,. 2019) has now been in operation at the VLT for more than 5 years, demonstrating a high level of performance. SPHERE has produced outstanding results using a variety of operating modes, primarily in the field of direct imaging of exoplanetary systems, focusing on exoplanets as point sources and circumstellar disks as extended objects. The achievements obtained thus far with SPHERE (~200 refereed publications) in different areas (exoplanets, disks, solar system, stellar physics...) have motivated a large consortium to propose an even more ambitious set of science cases, and its corresponding technical implementation in the form of an upgrade. The SPHERE+ project capitalizes on the expertise and lessons learned from SPHERE to push high contrast imaging performance to its limits on the VLT 8m-telescope. The scientific program of SPHERE+ described in this document will open a new and compelling scientific window for the upcoming decade in strong synergy with ground-based facilities (VLT/I, ELT, ALMA, and SKA) and space missions (Gaia, JWST, PLATO and WFIRST). While SPHERE has sampled the outer parts of planetary systems beyond a few tens of AU, SPHERE+ will dig into the inner regions around stars to reveal and characterize by mean of spectroscopy the giant planet population down to the snow line. Building on SPHERE's scientific heritage and resounding success, SPHERE+ will be a dedicated survey instrument which will strengthen the leadership of ESO and the European community in the very competitive field of direct imaging of exoplanetary systems. With enhanced capabilities, it will enable an even broader diversity of science cases including the study of the solar system, the birth and death of stars and the exploration of the inner regions of active galactic nuclei.

研究の動機と目的

• 中心星の強い光によりこれまでアクセスが困難であった雪線付近（通常2–4 AU）で形成中の若い巨大惑星を検出可能とする、SPHEREの高対比画像化能力の拡張。
• 高度なAO補正、新規デティクタ、最適化された波フロントセンシングを通じて、可視光および赤外線チャンネルにおける機器の感度およびコントラスト性能の向上。
• IRDISおよびZIMPOLにおける効率的な偏光測定を可能とするために、広帯域偏光ビームスプリッターの導入と、機器由来偏光効果の安定化。
• 降着の兆候を検出可能な、高フレームレート・低読み出しノイズの可視光インテグラルフィールドスペクトログラフ（IFS）の開発。
• 将来のELT機器（MICADO, HARMONI, METISなど）の準備として、2段階目のAOシステムや高分散分光法のキーパーツを飛行に準拠した環境でテストすること。

提案手法

• 可視光および近赤外線で1秒角未満の補正を達成するため、SPHERE+のアダプティブオプティクス系に新しい波フロントセンサおよび改善された制御ループを導入。
• IRDISに高効率・広帯域偏光ビームスプリッターを導入し、二重バンド画像化能力を損なわずに標準偏光画像化を可能にする。
• 大気乱流を凍結し、スペックル干渉計などの後処理技術を可能にするために、可視光チャンネルに低ノイズ・高フレームレートEMCCDデティクタを統合。
• ZIMPOLのコロナグラフマスクおよびフィルタを再検討・最適化し、星からの分離距離が最大4秒角まで感度を拡張。
• ファイバー、レンレット、またはイメージスライサーIFU構成を用いた可視光IFSの実現可能性調査を行い、視野、ピクセルスケール、スペクトル分解能に重点を置く。
• 機器由来偏光を安定化させ、線形偏光に加えて円偏光測定を可能とするために、新規ウェーブプレートの統合を検討。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SPHERE+は、高度なAO補正と低ノイズデティクタのおかげで、可視光帯域でMUSEと比較してコントラストを少なくとも1桁向上させられるか？
• RQ2 IRDISに広帯域偏光ビームスプリッターを実装する場合の実現可能性と性能向上は何か？特に原始惑星系円盤や惑星系の日常的偏光画像化において。
• RQ3 ZIMPOLにおけるオフアクシス観測は、中心星からの分離距離が最大4秒角まで拡張され、微弱な構造の検出にどの程度寄与するか？
• RQ4 中程度のスペクトル分解能と高い時間サンプリングを持つ可視光IFSは、Hαなどの発光ラインを介して若い巨大惑星の降着の兆候を検出可能か？
• RQ5 SPHERE+は、PCS（惑星カメラおよびスペクトログラフ）技術の面で、MICADO, HARMONI, METISといった将来のELT機器のテストベッドとして、どの程度有効に機能できるか？

主な発見

• SPHERE+は、MUSEと比較して、優れたAO性能と空間サンプリングのおかげで、可視光チャンネルで少なくとも1桁のコントラスト向上が見込まれる。
• 可視光チャンネルに低読み出しノイズ・高フレームレートEMCCDデティクタを追加することで、SHARK-VISで用いられるような後処理技術が可能となり、微弱な天体に対する感度が顕著に向上する。
• 広帯域偏光ビームスプリッターがIRDISに製造可能であることが実現可能性調査で確認され、二重バンド画像化能力を損なわずに日常的偏光画像化が可能になる。
• ZIMPOLにおけるオフアクシス観測は、4秒角までの観測可能な分離距離を拡張すると予想され、大規模な原始惑星系円盤構造の検出が向上する。
• レンレットアレイまたはファイバーIFUを用いた可視光IFSの統合は技術的に実現可能であり、2–3秒角の視野で中程度分解能（R ~ 1000–3000）の分光計測が可能になる。
• SPHERE+は、2段階目のAOシステムや高分解能分光法のテストベッドとして、特に系外惑星特徴付けの分野で、将来のELT機器の技術的・科学的予備機器として非常に適している。