[論文レビュー] The Perkins INfrared Exosatellite Survey (PINES) I. Survey Overview, Reduction Pipeline, and Early Results

Patrick Tamburo, Philip S. Muirhead+10 more|arXiv (Cornell University)|Jan 5, 2022

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 106被引用数 19

ひとこと要約

Perkins INfrared Exosatellite Survey (PINES) は、1.8 m のPerkins望遠鏡を用いて、393個のL型およびT型矮星の近赤外線光度測定調査を実施し、短周期の transit を示す系外惑星および衛星を検出する。独自のデータ還元パイプライン（PAT）と誘導システムを採用することで、2.5 R⊕程度の小さな惑星を検出可能な光度測定精度を達成し、既知の transit を再現するとともに、L/T遷移領域の新しい可変な褐色矮星 WISE J045746.08−020719.2 を同定した。

ABSTRACT

We describe the Perkins INfrared Exosatellite Survey (PINES), a near-infrared photometric search for short-period transiting planets and moons around a sample of 393 spectroscopically confirmed L- and T-type dwarfs. PINES is performed with Boston University's 1.8 m Perkins Telescope Observatory, located on Anderson Mesa, Arizona. We discuss the observational strategy of the survey, which was designed to optimize the number of expected transit detections, and describe custom automated observing procedures for performing PINES observations. We detail the steps of the $ exttt{PINES Analysis Toolkit}$ ($ exttt{PAT}$), software that is used to create light curves from PINES images. We assess the impact of second-order extinction due to changing precipitable water vapor on our observations and find that the magnitude of this effect is minimized in Mauna Kea Observatories $ extit{J}$-band. We demonstrate the validity of $ exttt{PAT}$ through the recovery of a transit of WASP-2 b and known variable brown dwarfs, and use it to identify a new variable L/T transition object: the T2 dwarf WISE J045746.08-020719.2. We report on the measured photometric precision of the survey and use it to estimate our transit detection sensitivity. We find that for our median brightness targets, assuming contributions from white noise only, we are sensitive to the detection of 2.5 $R_\oplus$ planets and larger. PINES will test whether the increase in sub-Neptune-sized planet occurrence with decreasing host mass continues into the L and T dwarf regime.

研究の動機と目的

• 光学的に暗く、ExoPlanets調査において未だ十分に調査が進んでいないL型およびT型矮星の周囲に、短周期の transit を示す惑星および衛星を探索すること。
• 冷却された暗い矮星の地上赤外線観測における大気透過損失や指向不安定性といった観測的課題を克服すること。
• PINESデータから高精度な光曲線を生成するための独自の光度測定パイプライン（PAT）の開発と検証を行うこと。
• 準海王星サイズの惑星に対する調査の感度を評価し、低質量の主星に向かって惑星出現率が増加し続けるという仮説を検証すること。

提案手法

• Anderson Mesa観測所に設置された1.8 m のPerkins望遠鏡を用い、transit 検出に最適化されたサイクル観測を可能にする独自の誘導システムを採用する。
• PINES Analysis Toolkit (PAT) を採用し、不良画素の特定、画像還元、重心計算、重み付けされた基準星の光度測定を含む光度測定パイプラインを実行する。
• 光曲線の安定性を向上させ、基準星の変動を低減するために、反復的標準偏差最小化に基づく基準星の重み付け方式を適用する。
• 変動する水蒸気量に起因する2次の減光効果を分析し、MKO Jバンドフィルタがこの系統的誤差を最小化することを示した。
• 目標の光曲線を作成するために基準星の光度の重み付き平均を用い、ノイズモデルを用いて光度測定精度と transit 検出感度を評価する。
• パイプラインの妥当性を検証するため、既知の WASP-2 b の transit を再現し、ピリオドグラム解析により可変対象を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PINES調査の近赤外線における光度測定精度は何か？ また、理論的期待値と比較してどうか？
• RQ2 PINES Analysis Toolkit (PAT) は、既知の transit を信頼性高く再現でき、L/T遷移領域の可変な褐色矮星を検出できるか？
• RQ3 変動する水蒸気による大気減光が光度測定に及ぼす影響はどの程度か？ また、この影響は MKO Jバンドで最小限に抑えられるか？
• RQ4 PINES調査は、L型およびT型矮星の周囲に軌道を回す惑星、特に準海王星サイズの惑星に対してどの程度の感度を有するか？
• RQ5 非常に低質量の主星の周囲に短周期の惑星系が検出可能か？ また、主星質量が小さくなるにつれて惑星出現率が増加するという傾向に従うか？

主な発見

• PINES調査は、白色ノイズの寄与のみを仮定した場合、平均の明るさを持つ標的に対して2.5 R⊕以上の惑星を検出可能な光度測定精度に到達した。
• 独自の誘導システムは、内蔵のPTOオートガイドよりも指向性能が劣るが、ノイズは僅かに高いにとどまり、調査における使用の妥当性を裏付けた。
• PINES Analysis Toolkit (PAT) は、WASP-2 b の transit を正常に再現し、既知の可変な褐色矮星を同定した。これにより、PAT の transit 検出への信頼性が確認された。
• 5.748 ± 0.011 時間の周期と最大6.5%の変動振幅を示す、新しい可変な L/T 遷移褐色矮星 WISE J045746.08−020719.2 が発見された。
• 変動する水蒸気量に起因する2次の減光効果は、MKO Jバンドで最小限に抑えられ、調査の光度測定安定性に最適であることが判明した。
• 悪化したサイトシーイングと透過率の低下により、想定より高いノイズが生じたが、Jバンドのノイズモデルは、PINESがほぼ全標的サンプルにわたり、準海王星サイズの惑星に対して感度を維持していることを確認した。