[논문 리뷰] Augmenting WFIRST Microlensing with a Ground-based Telescope Network

Wei Zhu, Andrew Gould|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 12.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 5인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 WFIRST 마이크로렌즈 설문을 KMTNet과 같은 지상 천체망을 통합하여 1차원 마이크로렌즈 파라볼라 측정을 가능하게 하여 향상시키는 방법을 제안한다. 우주 기반 및 지상 기반 관측을 결합함으로써, 모든 시간스케일에서 외계행성 및 자유로운 행성의 질량 측정이 크게 향상되며, 단일 현장 설문의 한계를 극복하고 체계적 오차가 최소화된 렌즈 사건의 정밀한 특성화를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Augmenting the \emph{WFIRST} microlensing campaigns with intensive observations from a ground-based network of wide-field survey telescopes would have several major advantages. First, it would enable full two-dimensional (2-D) vector microlens parallax measurements for a substantial fraction of low-mass lenses as well as planetary and binary events that show caustic crossing features. For a significant fraction of the free-floating planet (FFP) events and all caustic-crossing planetary/binary events, these 2-D parallax measurements directly lead to complete solutions (mass, distance, transverse velocity) of the lens object (or lens system). For even more events, the complementary ground-based observations will yield 1-D parallax measurements. Together with the 1-D parallaxes from \emph{WFIRST} alone, they can probe the entire mass range $M\gtrsim M_\oplus$. For luminous lenses, such 1-D parallax measurements can be promoted to complete solutions (mass, distance, transverse velocity) by high-resolution imaging. This would provide crucial information not only about the hosts of planets and other lenses, but also enable a much more precise Galactic model. Other benefits of such a survey include improved understanding of binaries (particularly with low mass primaries), and sensitivity to distant ice-giant and gas-giant companions of \emph{WFIRST} lenses that cannot be detected by \emph{WFIRST} itself due to its restricted observing windows. Existing ground-based microlensing surveys can be employed if \emph{WFIRST} is pointed at lower-extinction fields than is currently envisaged. This would come at some cost to the event rate. Therefore the benefits of improved characterization of lenses must be weighed against these costs.

연구 동기 및 목표

• 지상 기반 마이크로렌즈 설문이 WFIRST 우주 임무의 과학적 수익을 얼마나 향상시킬 수 있는지 정량화하는 것.
• 지구와 WFIRST 관측을 이용한 1차원 마이크로렌즈 파라볼라 측정의 실현 가능성과 이점을 입증하는 것.
• 지상 기반 설문이 외계행성 및 자유로운 행성의 질량 측정 향상에 끼치는 영향을 평가하는 것.
• 지상 기반 설문의 증가된 사건 탐지율과 옵티컬 대역에서의 먼지 흡수로 인한 감도 저하 사이의 상충관계를 평가하는 것.
• 현재 운영 중이거나 계획 중인 지상 기반 마이크로렌즈 설문에 적용 가능한 프레임워크를 제공하는 것.

제안 방법

• 벡터 마이크로렌즈 파rameter Λ = t_E π_E / AU 를 사용하여 파라볼라에서 유도되는 운동학적 효과를 직접 측정함으로써, 전통적인 π_E 측정보다 정확도를 향상시킨다.
• 식 (8)을 적용하여 지구와 WFIRST 관측 간 시간 및 충격 매개변수의 차이(Δt₀, Δu₀)로부터 Λ를 계산한다.
• 지구와 WFIRST 간 t_E 의 체계적 불확실성을 식 (68)을 사용해 모델링하였으며, 일반적인 사건에서 이 값이 극히 작다(≤0.086%)는 것을 보여준다.
• 지상 기반 t_E 측정이 알려진 것으로 간주할 수 있는 조건을 평가한다(식 73), 이는 신뢰할 수 있는 파라볼라 추정을 보장한다.
• 지상 기반 커버리지의 기준으로 KMTNet 유사 설문 모델을 사용하며, 15분 간격 및 고주기 모니터링을 가정한다.
• Λ의 진폭을 사용하여 디스크와 부글 렌즈 사건을 구분하는 프레임워크를 도입하며, 이는 횡방향 속도와 상관관계가 있다(식 7).

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지상 기반 천체망이 WFIRST 마이크로렌즈 사건의 마이크로렌즈 파라볼라 측정을 상당히 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 1차원 파라볼라 측정(π_E,∥)은 단일 현장 관측에 비해 외계행성 및 자유로운 행성 질량의 특성화를 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 지구와 WFIRST 관측 간 사건 시간스케일(t_E)의 체계적 불확실성은 얼마이며, 과학적 사용에 있어 무시할 수 있는가?
• RQ4 t_E 가 완전히 알려지지 않은 경우, 지상 기반 광곡선의 신호 대 잡음비가 파라볼라 측정의 신뢰성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 지상 기반 설문으로 인한 증가된 사건 탐지율과 옵티컬 대역에서의 먼지 흡수로 인한 감도 저하 사이의 상충관계는 무엇인가?

주요 결과

• 1차원 마이크로렌즈 파라볼라 측정은 모든 아이н스타인 시간스케일에서 실현 가능하며, 2차원 파라볼라보다 훨씬 더 풍부하다.
• 일반적인 부글 사건의 경우 지구와 WFIRST 간 t_E 의 체계적 불확실성은 ≤0.086%이며, 디스크 사건의 경우 ≤0.24%로, 대부분의 과학적 응용에 있어 무시할 만하다.
• 지상 기반 설문은 지상 기반 신호 대 잡음비가 σ₀,⊕ / F_s,⊕ ≳ 7.5×10⁻⁴ × (t_E / 1 day)¹/² × (Γ_⊕ / 240 day⁻¹)¹/² × (ṽ / 1000 km s⁻¹)⁻¹ × [u₀³(1 + r(u₀,t_E))/0.02]⁻¹/² 를 만족할 경우 t_E 를 신뢰성 있게 측정할 수 있다.
• 이 방법을 통해 우주 기반 및 지상 기반 파라볼라 데이터를 조합함으로써, 저질량 천체, 특히 자유로운 행성의 질량 측정이 가능해진다.
• 벡터 파arameter Λ 의 진폭은 디스크 사건(ṽ ≈ 280 km s⁻¹)과 부글 사건(Ṁ ≈ 1000 km s⁻¹)을 구분할 수 있으며, 운동학적 분류를 가능하게 한다.
• 작은 충격 매개변수(u₀ < 0.2) 조건에서도 t_E 를 알 수 없는 것으로 가정할 경우 유도되는 오차는 최대 요소 1.7 이내로, 이 방법의 강건성을 확인한다.