[論文レビュー] Viability of a Mission to Characterize Exo-Earths Using JWST plus a Starshade External Occulter

J. Catanzarite, Michael Shao|arXiv (Cornell University)|May 13, 2010

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）と外部遮光板（starshade）を組み合わせた場合に、地球外地球（exo-Earths）を検出可能かどうかを評価している。軌道測定を要件とすることで誤検出を低減でき、周辺星の事前アストロメトリーを活用すれば、地球外地球の検出数が5倍に増加し、低発生率（η_earth = 0.1）でもゼロ検出の確率が1%未満にまで低下することが示された。

ABSTRACT

We examine the scientific viability of an imaging mission to find exo-Earths combining the James Webb Space Telescope (JWST) with a starshade external occulter under a realistic set of astrophysical assumptions. We define an exo-Earth as a planet of 1 to 10 Earth masses orbiting in the habitable zone (HZ) of a solar-type star. We show that for a survey strategy that relies on a single image to detect an exo-Earth, roughly half of all exo-Earth detections will be false alarms. Here, a false alarm is a mistaken identification of a planet as an exo-Earth. We consider two survey strategies designed to mitigate the false alarm problem. The first is to require that for each potential exo-Earth, a sufficient number of detections are made to measure the orbit. When the orbit is known we can determine if the planet is in the habitable zone. With this strategy, we find that the number of exo-Earths found is on average 0.9, 1.9 and 2.7 for {\eta}_Earth = 0.1, 0.2 and 0.3. Here, {\eta}_Earth is the frequency of exo-Earths orbiting solar-type stars. There is a ~40% probability of finding zero exo-Earths for {\eta}_Earth = 0.1. A second strategy can be employed if a space astrometry mission has identified and measured the orbits and masses of the planets orbiting nearby stars. We find that with prior space-based astrometry from a survey of 60 nearby stars, JWST plus an external occulter can obtain orbital solutions for the majority (70% to 80%) of the exo-Earths orbiting these 60 stars. The exo-Earth yield is approximately five times higher than the yield for the JWST plus occulter mission without prior astrometry. With prior astrometry, the probability that an imaging mission will find zero exo-Earths is reduced to below 1% for the case of {\eta}_Earth = 0.1.

研究の動機と目的

• 現実的な宇宙物理学的条件下で、JWSTと外部遮光板を用いた地球外地球の検出の科学的妥当性を評価すること。
• 単一画像による地球外地球検出において、誤って地球サイズで居住可能な惑星と誤認される高頻度の誤検出の問題に対処すること。
• 繰り返し観測または事前アストロメトリックデータを用いて、惑星の軌道を測定することで、検出の信頼性を向上させる戦略を評価すること。
• 宇宙ミッションによる事前アストロメトリーが利用可能である場合の、地球外地球の検出数および検出確率の向上を定量化すること。
• 地球外地球発生率（η_earth = 0.1, 0.2, 0.3）の変動が、異なる調査戦略下でのミッション成功に与える影響を特定すること。

提案手法

• 本研究は、外部遮光板が星光を抑制することで、微弱な惑星の直接画像撮影を可能にする前提で、単一画像による地球外地球検出の調査戦略をモデル化している。
• 最初の戦略として、軌道パラメータの測定を要件とし、居住領域（HZ）内に位置するかどうかの確認を可能にする。
• 第二の戦略として、60個の近接星に対して事前に宇宙機によるアストロメトリーが行われ、JWST観測前に軌道要素と質量が得られると仮定している。
• 統計的モデリングを用いて、異なるη_earth値における検出確率と誤検出率を推定している。
• 各戦略下での期待される地球外地球の検出数と、ゼロ検出の確率を計算している。
• 本研究では、地球外地球を太陽型の星の居住領域内に1〜10地球質量の惑星と定義している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一のJWST画像に外部遮光板を用いた地球外地球検出における誤検出率はどの程度で、どのように低減できるか？
• RQ2 繰り返し観測による軌道決定を要件とすることで、確認済み地球外地球の検出数にどのような影響を与えるか？
• RQ3 事前に近接星のアストロメトリーが利用可能である場合、地球外地球検出数にどの程度の向上が見られるか？
• RQ4 低発生率（η_earth = 0.1）下で、事前アストロメトリーの有無に応じて、ゼロ検出の確率はどのように変化するか？
• RQ5 事前アストロメトリーは、JWST＋外部遮光板調査における、軌道が測定可能な地球外地球の割合をどの程度向上させるか？

主な発見

• 単一画像検出戦略では、検出された惑星の約半数が誤検出（誤って地球外地球と誤認される）である。
• 軌道測定戦略を採用した場合、η_earthが0.1、0.2、0.3のそれぞれに対し、平均で0.9、1.9、2.7個の確認済み地球外地球が検出される。
• η_earth = 0.1の条件下で、軌道測定戦略を用いる場合、ゼロ検出の確率は40%である。
• 60個の近接星の事前アストロメトリーが利用可能であれば、アストロメトリーなしの場合と比較して、地球外地球の検出数が約5倍に増加する。
• 事前アストロメトリーがあると、η_earth = 0.1の低発生率でも、ゼロ検出の確率が1%未満にまで低下する。
• JWSTと外部遮光板を組み合わせた場合、60個の標的星を回る地球外地球の70%〜80%が、信頼性のある軌道解を得られる。