[論文レビュー] The ESPRI project: astrometric exoplanet search with PRIMA I. Instrument description and performance of first light observations

J. Sahlmann, Thomas Henning+43 more|Archive ouverte UNIGE (University of Geneva)|Dec 10, 2012

Adaptive optics and wavefront sensing参考文献 42被引用数 26

ひとこと要約

本論文は、VLT干渉計におけるPRIMAを用いたESPRIプロジェクトの初光性能を報告する。30 μasのアストロメトリック精度を達成したが、Exoplanet探査に必要な10–100 μasの精度に到達するのを妨げる主な要因は、監視されていないビームトレイン部品に起因する系誤差であることを特定した。

ABSTRACT

The ESPRI project relies on the astrometric capabilities offered by the PRIMA facility of the Very Large Telescope Interferometer for the discovery and study of planetary systems. Our survey consists of obtaining high-precision astrometry for a large sample of stars over several years and to detect their barycentric motions due to orbiting planets. We present the operation principle, the instrument's implementation, and the results of a first series of test observations. A comprehensive overview of the instrument infrastructure is given and the observation strategy for dual-field relative astrometry is presented. The differential delay lines, a key component of the PRIMA facility which was delivered by the ESPRI consortium, are described and their performance within the facility is discussed. Observations of bright visual binaries are used to test the observation procedures and to establish the instrument's astrometric precision and accuracy. The data reduction strategy for astrometry and the necessary corrections to the raw data are presented. Adaptive optics observations with NACO are used as an independent verification of PRIMA astrometric observations. The PRIMA facility was used to carry out tests of astrometric observations. The astrometric performance in terms of precision is limited by the atmospheric turbulence at a level close to the theoretical expectations and a precision of 30 micro-arcseconds was achieved. In contrast, the astrometric accuracy is insufficient for the goals of the ESPRI project and is currently limited by systematic errors that originate in the part of the interferometer beamtrain which is not monitored by the internal metrology system. Our observations led to the definition of corrective actions required to make the facility ready for carrying out the ESPRI search for extrasolar planets.

研究の動機と目的

• 星の重心運動を用いた系外惑星検出を目的とした、VLT干渉計におけるPRIMA施設のアストロメトリック性能を確立すること。
• 明るい視連星をテスト標的にして、赤外Kバンドにおける二重フィールド相対アストロメトリーの能力を検証すること。
• Exoplanet検出に必要な10–100 μasの閾値未満で精度を低下させる干渉計ビームトレイン内の系統誤差を特定・是正すること。
• 将来のESPRI関連論文およびPRIMA施設の利用者を対象に、基準フレームワークを提供すること。
• 将来の高精度アストロメトリーを可能にするために、これまで監視されていなかったビームトレイン部のモニタリングを可能にするメトロロジー系の改良をガイドすること。

提案手法

• 明るい視連星（例：HD 10360、HD 66598）を対象に初光アストロメトリック観測を実施し、観測手順および性能をテストした。
• ESPRIコンsortiumが開発した差動遅延ラインを用いて、二重入力による相対アストロメトリーを実装した。
• 大気乱流および機器のドリフトを補正するデータ還元戦略を適用した。これには、フレアングトラッキングおよび位相キャリブレーションが含まれる。
• NACOを用いた適応望遠鏡観測を、PRIMAのアストロメトリックスケールおよび測定値の独立的検証として用いた。
• ビームトレイン誤差関数（式20）を用いて系統誤差をモデル化し、内部メトロロジー系が監視していないパス差（Δε(t)）を主な誤差要因として特定した。
• 内部メトロロジー系の延長を提案し、M9以降のビームセグメントを監視することで、系統誤差を低減することを目的とした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PRIMA施設の初光観測におけるアストロメトリック精度と正確性は何か？
• RQ2 特に監視されていないビームトレインにおけるPRIMAのアストロメトリック測定の主な系統誤差要因は何か？
• RQ3 NACOの適応望遠鏡による独立的測定と比較して、PRIMAのアストロメトリックスケールはどの程度一致するか？
• RQ4 現在のビームトレイン構成は、木星質量惑星を検出するために必要な10–100 μasの精度をどの程度満たせるか？
• RQ5 ESPRIのExoplanet探査に必要なアストロメトリック精度を達成するためには、メトロロジー系にどのような改正が必要か？

主な発見

• PRIMA施設は30 μasのアストロメトリック精度に到達したが、大気乱流が定める理論的限界に近づいた。
• アストロメトリック正確性は現在のところESPRIプロジェクトの要件を満たしていない。これは、内部メトロロジー系が監視していないビームトレイン部品に起因する。
• 系統誤差は、M9からM1の間のビームトレインで生じる非共通パス項Δε(t)が主因であり、これが監視されていない。
• 11″の視連星に対する独立的NACOアストロメトリーは、PRIMA測定値と13 mas以内で一致し、PRIMAのスケールが約0.1%の精度で正しいことを確認した。
• 明るい11″視連星に対して5日間にわたり繰り返し測定を実施した結果、散乱が約3 masに達した。これは顕著な残存系統誤差を示している。
• 将来的な改善には、メトロロジーのエンドポイントをM2以降にまで延長し、最大の系統誤差要因を低減することが不可欠であり、10 μas未満の精度を実現可能にする。