[논문 리뷰] ESPRESSO at VLT. On-sky performance and first results

F. Pepe, S. Cristiani외 98명|DIGITAL.CSIC (Spanish National Research Council (CSIC))|2020. 10. 01.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 97인용 수 51

한 줄 요약

ESPRESSO는 VLT의 초고해상도 분광기, 현장 시운전 성능, 그리고 높은 시선 속도 정밀도를 달성한 최초의 보장 시간(GTO) 결과를 설명한다.

ABSTRACT

Context. ESPRESSO is the new high-resolution spectrograph of ESO’s Very Large Telescope (VLT). It was designed for ultra-high radial-velocity (RV) precision and extreme spectral fidelity with the aim of performing exoplanet research and fundamental astrophysical experiments with unprecedented precision and accuracy. It is able to observe with any of the four Unit Telescopes (UTs) of the VLT at a spectral resolving power of 140 000 or 190 000 over the 378.2 to 788.7 nm wavelength range; it can also observe with all four UTs together, turning the VLT into a 16 m diameter equivalent telescope in terms of collecting area while still providing a resolving power of 70 000. Aims. We provide a general description of the ESPRESSO instrument, report on its on-sky performance, and present our Guaranteed Time Observation (GTO) program along with its first results. Methods. ESPRESSO was installed on the Paranal Observatory in fall 2017. Commissioning (on-sky testing) was conducted between December 2017 and September 2018. The instrument saw its official start of operations on October 1, 2018, but improvements to the instrument and recommissioning runs were conducted until July 2019. Results. The measured overall optical throughput of ESPRESSO at 550 nm and a seeing of 0.65″ exceeds the 10% mark under nominal astroclimatic conditions. We demonstrate an RV precision of better than 25 cm s−1 during a single night and 50 cm s−1 over several months. These values being limited by photon noise and stellar jitter shows that the performance is compatible with an instrumental precision of 10 cm s−1. No difference has been measured across the UTs, neither in throughput nor RV precision. Conclusions. The combination of the large collecting telescope area with the efficiency and the exquisite spectral fidelity of ESPRESSO opens a new parameter space in RV measurements, the study of planetary atmospheres, fundamental constants, stellar characterization, and many other fields.

연구 동기 및 목표

• VLT에서 ESPRESSO 계측기와 부하 시스템 및 그 통합을 설명한다.
• 운용 개시 전까지의 현장 성능 및 시운전 진행 상황을 보고한다.
• 보장 시간 관측(GTO) 프로그램 및 초기 결과를 제시한다.
• 광학 전송율, 시선 속도 정밀도 및 기기의 안정성을 평가한다.
• 외계 행성 과학, 기본 상수, 항성 특성 규명의 시사점을 논의한다.

제안 방법

• 성능 검증을 위한 ESPRESSO의 2017년부터 2019년까지의 시운전 및 현장 테스트.
• 1-UT 및 4-UT 구성을 공급하는 섬유 공급, 교분산 고해상도 에셀 분광계 설계.
• 파장 보정을 위한 두 번째 섬유를 이용한 동시 드리프트 측정(동시 참조 모드).
• ThAr 램프와 Fabry-Pérot로 파장 보정; Laser Frequency Comb(LFC)은 사용 가능하지만 아직 통합되지 않음.
• 명목상의 천체-기후 조건에서의 전송율, RV 정밀도 및 안정성 분석; 광자 소음과 항성 진동 등을 한계 요인으로 고려.
• 1-UT 대비 4-UT 성능 차이를 다루고 HR42 모드를 도입하여 등급 범위를 확장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 명목 조건에서 ESPRESSO의 현장 성능과 전송율은 어느 정도인가?
• RQ2 ESPRESSO가 10 cm s−1의 기계적 한계에 근접한 시선 속도 정밀도를 달성할 수 있으며 어떤 한계가 남는가(광자 잡음, 항성 진동)?
• RQ3 1-UT와 4-UT 구성은 전송율과 시선 속도 정밀도 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ4 ESPRESSO의 GTO 프로그램에서 얻을 수 있는 최초의 과학 결과는 무엇인가?

주요 결과

• 0.65″ 시상의 명목 조건에서 550 nm의 overall optical throughput가 10%를 초과하는 것으로 측정됐다.
• 하루 한 밤 동안 25 cm s−1, 수개월에 걸쳐 50 cm s−1보다 나은 시선 속도 정밀도.
• 광자 소음과 항성 진동으로 한계가 결정되며, 기기 정밀도 10 cm s−1와의 호환성을 시사한다.
• 전송율이나 RV 정밀도에서 단위 망원경 간 차이가 측정되지 않았다.
• HR42 모드를 도입하여 Read-out-noise-제한의 등급 범위를 더 어두운 등급으로 확장했다.