[論文レビュー] The WFIRST Exoplanet Microlensing Survey

D. P. Bennett, Rachel Akeson+72 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2018

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 3被引用数 6

ひとこと要約

WFIRST系外惑星微小レンズ効果調査は、広域赤外線サーベイ望遠鏡を用いた宇宙望遠鏡による微小レンズ効果サーベイを提案し、1 AUを超える軌道で系外惑星を検出する。これは、火星質量に達する自由浮遊惑星を含み、ケプラーが得た短周期惑星の統計的調査を補完する。レンズ-源相対的自己運動と微小レンズ効果パラメータを測定することで、束縛惑星および非束縛惑星の正確な質量測定が可能となり、惑星形成および生命可能性に関する重要なデータを提供する。

ABSTRACT

The Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) was the top ranked large space mission in the 2010 New Worlds, New Horizons decadal survey, and it was formed by merging the science programs of 3 different mission concepts, including the Microlensing Planet Finder (MPF) concept (Bennett \etal\ 2010). The WFIRST science program (Spergel \etal\ 2015) consists of a general observer program, a wavefront controlled technology program, and two targeted science programs: a program to study dark energy, and a statistical census of exoplanets with a microlensing survey, which uses nearly one quarter of WFIRST's observing time in the current design reference mission. The New Worlds, New Horizons (decadal survey) midterm assessment summarizes the science case for the WFIRST exoplanet microlensing survey with this statement: "WFIRST's microlensing census of planets beyond 1 AU will perfectly complement Kepler's census of compact systems, and WFIRST will also be able to detect free-floating planets unbound from their parent stars lap."

研究の動機と目的

• ケプラーがカバー可能な軌道範囲を超えて、長周期および低質量惑星の統計的調査を拡張すること。
• 恒星から分離した自由浮遊惑星を検出し、惑星形成および放出機構に関する知見を提供すること。
• 微小レンズ効果パラメータと有限光源効果を用いて、特に恒星を伴わない惑星の正確な質量を測定すること。
• ケプラーによるコンパクトで短周期系の調査を補完し、太陽系に類似した遠方で冷たい惑星の集団を調査すること。
• 幅広い分離距離および質量範囲における惑星形成プロセスの理解を深めるために、惑星質量関数と軌道分布を制約すること。

提案手法

• WFIRST宇宙望遠鏡の広視野赤外線撮影を用いて、惑星系または自由浮遊惑星による微小レンズ効果イベントを、数百万顆の星に対して監視する。
• 高精度光度測定と高解像度を用いて、レンズ-源相対的自己運動（μrel）を測定し、レンズ系の直接的質量決定を可能にする。
• WFIRSTがL2で観測する光曲線と地上望遠鏡で同時に観測する光曲線を比較することで、微小レンズ効果パラメータを測定し、特に自由浮遊惑星に対して応用する。
• 有限光源効果（θE）と微小レンズ効果パラメータを組み合わせることで、標準的手法が失敗する非束縛惑星に対しても、独立してレンズ質量を導出する。
• LSST、KMTNet、PRIMEなど複数の地上観測所による同時地上サーベイを活用し、パラメータ測定を強化し、自由浮遊惑星イベントの質量推定を改善する。
• 2.4m口径望遠鏡の向上した解像度と光度測定精度を活用し、微小なμrel分離を含む微妙なレンズシグナルを検出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1 AUを超える領域における系外惑星の質量分布および軌道分離の分布は、特に低質量および長周期惑星に関してどうなっているか？
• RQ2 火星質量に達する自由浮遊惑星を微小レンズ効果で検出し、その性質を特徴づけることは可能か？また、それらの性質は惑星形成および放出プロセスに関する何を明らかにするか？
• RQ3 微小レンズ効果パラメータと有限光源効果を用いて、非束縛惑星の質量をどの程度正確に決定できるか？
• RQ4 WFIRST微小レンズ効果サーベイは、軌道的構造と質量分布の観点から、ケプラーのコンパクトで短周期惑星系の調査をどの程度補完するか？
• RQ5 自由浮遊惑星質量関数の統計的推定に影響を及ぼす系統的バイアスは何か？また、直接的な質量測定を用いてそれらをどのように制約できるか？

主な発見

• WFIRSTは他の手法と比較して、2桁小さい質量の惑星に感度を示し、1 AUを超える軌道で地球質量の惑星を検出可能である。
• このサーベイは、火星質量（0.1 M⊕）に達する自由浮遊惑星を検出し、それらの質量を直接測定できる唯一の方法を提供する。
• 地上望遠鏡（LSST）とWFIRSTの同時観測による微小レンズ効果パラメータ測定により、自由浮遊惑星の質量決定が可能となり、10 M⊕の惑星が光曲線のずれによって検出可能であるとシミュレーションで示された。
• 高解像度と1星あたり40,000枚の画像を活用することで、WFIRSTはハッブル宇宙望遠鏡の画像で解像できないほどの微小なレンズ-源分離を測定でき、μrel測定の精度が向上する。
• シミュレーションの検出領域内では、1星あたり約3個の惑星が検出可能であり、感度は月質量（0.025 M⊕）にまで達する。
• HSTフォローアップ観測と併せて、OGLE-2005-BLG-169イベントで、0.69 ± 0.02 M☉の星の周りに14.1 ± 0.9 M⊕の束縛惑星の質量が成功裏に測定された。これにより、手法の妥当性が検証された。