[논문 리뷰] Follow-up and characterization of the TESS exoplanets with SOPHIE, SPIRou, and JWST

Nicolas Crouzet, X. Bonfıls외 13명|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 12.

Stellar, planetary, and galactic studies인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 TESS 외계행성 후보자에 대한 반지름 속도 관측 후속 조사에 대해 SOPHIE와 SPIRou를 사용할 경우 필요한 관측 시간을 추정하고, JWST를 활용한 대기 특성 분석을 수행한다. 그 결과, SPIRou는 소행성 행성을 확인하는 데 최적임을 밝혀내었으며, 중간값 기준으로 1개 타깃당 2.65시간이 소요된다. 반면, JWST는 가장 유리한 소행성 행성에 대해 약 16시간, 희귀한 지구 크기의 적응권 내 소행성 행성에 대해 약 60시간이 소요된다. 이는 향후 임무에 대한 효율적인 타깃 선별을 안내한다.

ABSTRACT

The NASA TESS mission will deliver hundreds of transiting exoplanet candidates orbiting bright stars. The spectrometers SOPHIE at OHP and SPIRou at CFHT will be ideal to obtain radial velocities of these candidates, confirm their nature, and derive the planets' masses. These measurements will be crucial to deliver the best targets for atmospheric characterization with JWST. Here, we calculate the required observing time with SOPHIE, SPIRou, and JWST for each of the TESS targets in order to prepare follow-up observations. To infer their potential for JWST, we restrict the calculations to the case of transmission spectroscopy with NIRISS. The radial velocity follow-up of the giant planets ($R_p > 4 \ m \\, R_E$) could be achieved with SOPHIE, with a median observing time of 3.47 hours per target, and a total observing time of 305 hours that includes the 80% most favorable cases. Several small planets ($R_p < 4 \ m \\, R_E$) could also be confirmed, but most of them would require an unrealistic time investment. On the other hand, SPIRou is ideally suited to the follow-up of the small planets, with a median observing time of 2.65 hours per target, and a median observing time of 4.70 hours for the terrestrial planets in the habitable zone ($R_p < 2 \ m \\, R_E$, $S < 2 \ m \\, S_E$). With JWST, the 10% most favorable small planets (184 planets) have a median observing time of 16.2 hours, and the 10% most favorable habitable zone terrestrial planets (7 planets) have a median observing time of 59.7 hours. Overall, this study will help define a follow-up strategy and prepare observation programs with SOPHIE and SPIRou before the first planet candidates are delivered by TESS.

연구 동기 및 목표

• SOPHIE와 SPIRou를 사용하여 TESS 외계행성 후보자에 대한 반지름 속도 후속 조사에 필요한 관측 시간을 추정한다.
• JWST를 활용한 대기 특성 분석의 가능성, 특히 NIRISS를 통한 투과 스펙트로스코피를 중심으로 평가한다.
• 지구 기반 및 우주 기반 망원경의 관측 시간을 효율적으로 사용하기 위해 TESS 행성 후보자의 우선순위를 매기는 데 기여한다.
• SPIRou 레거시 설계 및 향후 SOPHIE 업그레이드를 지원하기 위해 시간 투자 필요성을 정량화한다.
• 반지름 속도 및 JWST 관측 시간 추정치를 종합하여 JWST에 대한 가장 유망한 타깃을 선별하는 전략을 수립한다.

제안 방법

• 시뮬레이션은 Sullivan 등 (2015)의 TESS 시뮬레이션 행성 목록에 기반하며, 행성 반지름, 궤도 주기, 수복도, 주계측 항성 파rameters를 포함한다.
• 반지름 속도 관측 시간(t_RV)은 행성의 반지름 속도 반폭 K를 사용하여 계산되며, 탐지 기준 신호 대 잡음 비율이 5 이상일 경우를 가정한다.
• JWST 관측 시간(t_JWST)은 전이 깊이와 항성 등급을 사용하여 추정되며, 최소한 전이 지속 시간의 2배를 하한선으로 삼는다.
• 분석은 세 가지 행성 유형을 고려한다: 거대행성(R_p > 4 R_E), 준형성/초지구형(2 R_E < R_p < 4 R_E), 지구형 행성(R_p < 2 R_E)으로, 수복도(고온, 온난, 냉각)에 따라 추가 분류한다.
• 후속 조사 전략을 안내하기 위해 누적 관측 시간 분포를 계산하고 도식화하며, t_RV > 25시간인 타깃은 제외한다.
• 대기 특성 분석은 H/He가 주된 성분인 대기를 가정하여, 시간 추정치가 대기 조성에 얼마나 민감한지 테스트한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SOPHIE와 SPIRou를 사용하여 TESS 행성 후보자에 대한 반지름 속도 후속 조사에 필요한 중간값 관측 시간은 얼마인가?
• RQ2 JWST를 사용하여 대기 특성 분석이 가능한 TESS 행성 후보자는 어떤 것들이며, 그에 필요한 관측 시간은 얼마인가?
• RQ3 JWST의 관측 시간은 행성 반지름, 수복도, 항성 등급에 따라 어떻게 변하는가?
• RQ4 SPIRou는 M형 항성 주위의 소행성 행성을 효율적으로 확인할 수 있는가? 그리고 SOPHIE와의 성능 비교는 어떻게 되는가?
• RQ5 SOPHIE와 SPIRou의 관측 시간을 최적의 전략으로 배분하면, 확인된 행성 수와 JWST에 가장 적합한 타깃 수를 극대화할 수 있는가?

주요 결과

• 거대행성(R_p > 4 R_E)에 대해 SOPHIE의 중간값 반지름 속도 후속 조사 시간은 타깃당 3.47시간이며, 가장 유리한 80%의 경우에 대해 총 305시간이 소요된다.
• SPIRou는 소행성 행성의 경우 중간값 기준으로 타깃당 2.65시간이 소요되며, 적응권 내 지구형 행성(R_p < 2 R_E, S < 2 S_E)은 중간값 기준으로 타깃당 4.70시간이 소요된다.
• 가장 유리한 소행성 행성의 상위 10%(184개)는 JWST NIRISS로 약 16.2시간의 관측 시간이 필요하며, 적응권 내 지구형 행성의 상위 10%는 평균적으로 59.7시간이 소요된다.
• H/He가 주된 성분인 대기를 가정할 경우, 소행성 행성에 대해 중간값 JWST 관측 시간은 8시간으로 감소하며, 적응권 내 지구형 행성은 13.1시간으로 감소한다. 이는 전이 지속 시간에 의해 제한된다.
• 누적 관측 시간 도표는 SOPHIE가 거대행성에 가장 적합하고, SPIRou는 M형 항성 주위의 소행성 행성에 최적임을 보여주며, 효율적인 타깃 우선순위 매기기를 가능하게 한다.
• 이 연구는 반지름 속도 및 JWST 관측 시간 추정치를 종합하여 JWST에 대한 고가치 타깃 선별을 위한 정량적 프레임워크를 제공하며, SPIRou 레거시 설계 및 향후 SOPHIE 업그레이드 지원에 기여한다.