[논문 리뷰] Completing the Census of Exoplanets with the Microlensing Planet Finder (MPF)

D. P. Bennett, Jay Anderson외 18명|arXiv (Cornell University)|2010. 12. 20.

Stellar, planetary, and galactic studies인용 수 13

한 줄 요약

논문은 질량이 0.1 Earth 질량 이상이고 궤도 분리가 0.5 AU에서 무한대에 이르는 외계행성의 통계적 캐릭터를 완성하는 데 목적이 있는 우주 기반 미크로렌즈 행성 탐지기(MPF)를 제안한다. Kepler는 0.5 AU 이내의 행성을 탐지하지만, MPF는 그 이상의 궤도에서 행성을 탐지함으로써 태양계의 수성만 제외한 모든 행성의 유사체를 탐지할 수 있으며, 지구 기반 관측이나 다른 방법으로는 확보할 수 없는 보편적인 질량 및 궤도 분포 데이터를 제공한다. 이는 기술적으로 검증된 방법을 사용하여 3억 3,300만 달러의 비용으로 실현 가능하다.

ABSTRACT

The MPF mission will provide a statistical census of exoplanets with masses greater than 0.1 Earth-masses and orbital separations ranging from 0.5AU to infinity. This includes analogs to all the Solar System's planets except for Mercury, as well as most types of planets predicted by planet formation theories. Such a survey will provide results on the frequency of planets around all types of stars except those with short lifetimes. Close-in planets with separations < 0.5 AU are invisible to a space-based microlensing survey, but these can be found by Kepler. Other methods, including ground-based microlensing, cannot approach the comprehensive statistics on the mass and semi-major axis distribution of extrasolar planets that a space-based microlensing survey will provide. The terrestrial planet sensitivity of a ground-based microlensing survey is limited to the vicinity of the Einstein radius at 2-3 AU, and space-based imaging is needed to identify and determine the mass of the planetary host stars for the vast majority of planets discovered by microlensing. Thus, a space-based microlensing survey is likely to be the only way to gain a comprehensive understanding of the architecture of planetary systems, which is needed to understand planet formation and habitability. MPF can accomplish these objectives with proven technology and a cost of $333 million (excluding launch vehicle).

연구 동기 및 목표

• 0.1 Earth 질량 이상의 질량을 가지며 궤도 분리가 0.5 AU에서 무한대에 이르는 외계행성의 통계적 캐릭터를 완성하는 것.
• 태양계의 수성만 제외한 모든 행성의 유사체, 즉 행성 형성 이론에 의해 예측된 시스템 유사체를 탐지하는 것.
• 지구 기반 미크로렌즈 관측의 한계를 극복하여, 2–3 AU 지점의 에인슈타인 반경 근처의 행성에 국한된 감도를 뛰어넘는 것.
• 행성 형성과 가능성이 있는 환경을 이해하기 위해 필수적인, 외계행성의 질량과 반장경의 분포에 대한 종합적인 데이터를 제공하는 것.
• 지구에서의 대부분의 미크로렌즈 탐지에서는 불가능한 바탕이 되는 항성 질량을 정확히 결정하기 위해 우주 기반 이미징을 활용하는 것.

제안 방법

• 배경의 별이 전방의 행성 수반 시스템에 의해 가로질러 갈 때 발생하는 일시적인 밝아짐을 관측하여, 우주 기반 중력 미크로렌즈를 이용해 외계행성을 탐지하는 것.
• 수백만 개의 별을 동시에 모니터링하기 위해 우주에서 연속적이고 광역의 설문 조사 수행으로, 큰 궤도 거리에서 낮은 질량의 행성을 감지하는 민감도를 높이는 것.
• 미크로렌즈의 증폭이 행성의 밝기에 영향을 받지 않기 때문에, 천체 전이법이나 다이얼라인 속도법으로는 탐지할 수 없는 차가운, 먼 행성도 탐지할 수 있음을 활용하는 것.
• 지구 기반에서의 대부분의 탐지에서는 불가능한 바탕 항성의 밝기와 질량을 파라렐랙스 측정 및 고해상도 이미징을 통해 우주 기반 관측소를 이용해 결정하는 것.
• 다양한 항성 유형에 걸쳐 행성계의 구조를 통계적으로 신뢰할 수 있는 캐릭터로 구축하기 위해 여러 개의 미크로렌즈 사건 데이터를 통합하는 것.
• 실현 가능성을 높이고 위험을 줄이기 위해 검증된 비행 테스트 기술을 사용하며, 총 비용 추정액은 3억 3,300만 달러(발사비 제외)이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 0.5 AU에서 무한대에 이르는 궤도 분리 범위에서 질량이 0.1 Earth 질량 이상인 외계행성의 빈도 분포는 어떻게 되는가?
• RQ2 수명이 짧지 않은 다양한 유형의 항성 주위에서 행성계의 구조는 어떻게 다를까?
• RQ3 우주 기반 미크로렌즈가 태양계의 수성만 제외한 모든 행성의 유사체를 포함한 완전한 행성계 캐릭터를 제공할 수 있는가?
• RQ4 우주 기반 미크로렌즈 설문 조사의 지구형 질량의 행성에 대한 감도는 무엇이며, 지구 기반 설문 조사와 비교해 어떻게 다를까?
• RQ5 지구 기반 미크로렌즈의 한계를 우회하여, 행성의 주변 항성 질량을 정확히 결정하는 데에 우주 기반 미크로렌즈가 얼마나 효과적인가?

주요 결과

• MPF 임무는 0.5 AU에서 무한대까지의 궤도 분리에서 질량이 0.1 Earth 질량 이상인 외계행성을 탐지할 수 있으며, 태양계의 수성만 제외한 모든 행성의 유사체를 포함한다.
• 우주 기반 미크로렌즈는 0.5 AU 이상의 영역에서의 행성 질량 및 궤도 분포에 대한 종합적인 캐릭터를 확보할 수 있는 唯一支의 길을 제공한다.
• 지구 기반 미크로렌즈 설문 조사는 2–3 AU 지점의 에인슈타인 반경 근처의 행성에 국한된 감도를 가지며, 관심 있는 대부분의 행성 집단을 놓친다.
• 미크로렌즈 행성의 주변 항성 질량을 결정하기 위해서는 우주 기반 이미징이 필요하며, 지구에서의 대부분의 탐지에서는 이를 실현할 수 없다.
• 이 임무는 3억 3,300만 달러의 비용으로 기술적으로 검증된 기술을 사용하여 실현 가능하며, 외계행성 캐릭터를 완성하는 데 비용 효율적인 해결책이다.
• MPF는 Kepler가 0.5 AU 이내의 가까운 궤도에서 행성을 탐지하지 못하는 영역을 메우며, 전체 하늘과 질량 범위를 커버하는 데 기여한다.