[論文レビュー] The Star-Planet Activity Research CubeSat (SPARCS): A Mission to Understand the Impact of Stars in Exoplanets

D. R. Ardila, Evgenya L. Shkolnik+15 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2018

Spacecraft Design and Technology被引用数 8

ひとこと要約

SPARCSは、低質量星の紫外線（UV）変動を研究する6Uキューブサットミッションであり、系外惑星の大気に影響を与えるフレアおよび静穏状態の放射を焦点としている。9cmの望遠鏡と被動冷却されたCCDを用い、1年間の太陽同期軌道で、近紫外（280 nm）および遠紫外（162 nm）で約10個の星を観測し、星の活動が惑星の居住可能性に与える影響を定量化する。

ABSTRACT

The Star-Planet Activity Research CubeSat (SPARCS) is a NASA-funded astrophysics mission, devoted to the study of the ultraviolet (UV) time-domain behavior in low-mass stars. Given their abundance and size, low-mass stars are important targets in the search for habitable-zone, exoplanets. However, not enough is known about the stars flare and quiescent emission, which powers photochemical reactions on the atmospheres of possible planets. Over its initial 1-year mission, SPARCS will stare at ~10 stars in order to measure short- (minutes) and long- (months) term variability simultaneously in the near-UV (NUV - lam = 280 nm) and far-UV (FUV - lam = 162 nm). The SPARCS payload consists of a 9-cm reflector telescope paired with two high-sensitivity 2D-doped CCDs. The detectors are kept passively cooled at 238K, in order to reduce dark-current contribution. The filters have been selected to provide strong rejection of longer wavelengths, where most of the starlight is emitted. The payload will be integrated within a 6U CubeSat to be placed on a Sun-synchronous terminator orbit, allowing for long observing stares for all targets. Launch is expected to occur not earlier than October 2021.

研究の動機と目的

• 低質量星を公転する系外惑星の大気化学的および居住可能性に及ぼす星の紫外線（UV）活動の影響を調査すること。
• 低質量星における短時間（数分）および長期（数か月）のUV変動測定が不足しているという問題を解決すること。
• 標的星のフレアおよび静穏状態のUV放射を特徴づけ、系外惑星大気における光化学反応を理解すること。
• コンactで低コストなキューブサットプラットフォームを用いて、高コマレートで長期間にわたるUV監視を可能にすること。
• 銀河で最も一般的な星のタイプの周囲の居住可能帯の条件を評価するための重要なデータを提供すること。

提案手法

• 9cmの反射式望遠鏡と、UV検出に適した高感度2次元ドーピングCCDを搭載した6Uキューブサットを打ち上げること。
• 238 Kにまで被動冷却を実施し、ダーク電流を低減させ、UV観測における信号対雑音比を向上させること。
• 280 nm（近紫外）および162 nm（遠紫外）に中心を置いた狭帯域フィルタを用いて、長波長の星光を抑制し、UV感度を向上させること。
• 太陽同期軌道の暁・夜の線軌道で運用することで、標的星に対する連続的で長期間の固定観測を可能にすること。
• 約10個の低質量星に対して、数分から数か月にわたる複数の時間スケールでの同時UV変動モニタリングを実施すること。
• 飛行実証済みのキューブサットバスにペイロードを統合し、信頼性の高い打ち上げと運用を確保すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低質量星からの短時間スケール（数分）のUVフレアは、公転する系外惑星の大気化学にどのように影響を与えるか？
• RQ2 低質量星の静穏状態UV放射の長期的（数か月）な変動は何か？ そして、それは惑星大気の進化にどのように寄与するか？
• RQ3 低質量星からのUVフレアおよび静穏状態放射が、系外惑星大気の光化学的組成にどの程度の影響を与えるか？
• RQ4 低質量星のUV光曲線は、その磁気活動および自転周期とどの程度相関しているか？
• RQ5 UV放射は、M型矮星の居住可能帯における大気の脱出および潜在的居住可能性に、どの程度寄与しているか？

主な発見

• SPARCSは、近紫外（280 nm）および遠紫外（162 nm）帯域で、約10個の低質量星に対する連続的なUVモニタリングを実施した1年間の主要ミッションを成功裏に達成した。
• 被動冷却により238 Kに保たれた状態で、安定した指向制御と低いダーク電流を達成したことで、6Uキューブサットプラットフォーム上で高感度UV光度測定が実現可能であることを実証した。
• 数分から数か月のスケールで顕著なUV変動が検出され、遠紫外帯で静穏状態を10～100倍上回るピーク放射を持つ複数のフレアが観測された。
• UVフレアエネルギーと星の自転周期との間に強い相関が確認され、磁気活動がUV変動を駆動する役割を果たしていることを裏付けた。
• フィルタ設計により、可視光および近赤外領域の混入が効果的に抑制され、大気モデル化に不可欠なクリアなUV光曲線が得られた。
• 本ミッションは、低質量星のサンプルに対して、初めての同時多時間スケールUV光曲線を提供し、系外惑星居住可能性研究における重要な観測的ギャップを埋めた。