[논문 리뷰] Measurement of the Free-Floating Planet Mass Function with Simultaneous Euclid and WFIRST Microlensing Parallax Observations

Matthew T. Penny, E. Bachelet외 18명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 19.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 2인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 유라칸과 WFIRST 우주 망원경의 동시에 관측된 마이크로렌즈 효과를 활용하여 자유로운 궤도를 도는 행성과 넓은 궤도를 도는 행성의 질량을 마이크로렌즈 파라볼라를 통해 측정하는 방법을 제안한다. 두 관측소 사이의 0.01 AU 기준선을 활용함으로써, WFIRST 단독으로는 탐지할 수 없는 행성의 정밀한 질량 측정이 가능해지며, 이는 행성계의 진화 및 탈출 과정에 대한 제약 조건을 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

Free-floating planets are the remnants of violent dynamical rearrangements of planetary systems. It is possible that even our own solar system ejected a large planet early in its evolution. WFIRST will have the ability to detect free-floating planets over a wide range of masses, but it will not be able to directly measure their masses. Microlensing parallax observations can be used to measure the masses of isolated objects, including free-floating planets, by observing their microlensing events from two locations. The intra-L2 separation between WFIRST and Euclid is large enough to enable microlensing parallax measurements, especially given the exquisite photometric precision that both spacecraft are capable of over wide fields. In this white paper we describe how a modest investment of observing time could yield hundreds of parallax measurements for WFIRST's bound and free-floating planets. We also describe how a short observing campaign of precursor observations by Euclid can improve WFIRST's bound planet and host star mass measurements.

연구 동기 및 목표

• 자유로운 궤도를 도는 행성과 넓은 궤도를 도는 행성의 질량 함수를 측정함으로써, 행성계의 역학적 진화 및 탈출 과정을 이해하는 데 핵심적인 정보를 제공한다.
• 두 번째 관측소에서의 파라볼라 측정을 통해 WFIRST 마이크로렌즈 데이터의 질량-거리 불확실성 문제를 해결한다.
• 조금의 유라칸 관측 시간 투자만으로도 WFIRST의 유인 및 자유로운 궤도를 도는 행성에 대해 수백 개의 질량 측정을 가능하게 함을 입증한다.
• 유라칸의 사전 관측을 통해 WFIRST의 유인 행성 질량 측정을 향상시킨다.
• 다른 기기, 감지기, 파장으로 인한 질량 측정의 교차 확인을 통해 WFIRST의 질량 측정 오차를 감소시킨다.

제안 방법

• WFIRST가 L2 궤도에 있을 때와 유라칸 사이의 0.01 AU 기준선을 활용하여 마이크로렌즈 파라볼라(πE)를 측정함으로써, 마이크로렌즈 광도곡선 매개변수의 다중해를 제거한다.
• 마이크로렌즈 파라볼라 공식 πE ≈ (기준선) / (1 AU) × (1 / θE)를 적용하여 광도곡선에 미치는 파라볼라 효과를 추정한다.
• 두 망원경에서 동시에 마이크로렌즈 사건을 관측하여, 특히 자유로운 궤도 행성에 의해 발생하는 짧은 지속시간(1일 이내)의 사건에서 파라볼라로 인한 광도곡선 형태의 차이를 탐지한다.
• 유라칸의 고주기 VIS 관측을 활용하여 저질량 행성과 이중원천 사건 간의 모호함을 해결한다.
• WFIRST 발사 3년 전까지 유라칸의 VIS 기구를 사용해 WFIRST 마이크로렌즈 관측 분야를 사전 관측함으로써 렌즈-원천 분리 측정을 위한 기준선을 연장한다.
• 유라칸의 넓은 시야(WFIRST의 거의 두 배)와 유사한 PSF 및 픽셀 해상도를 활용해 WFIRST 데이터의 고정밀 교차 확인을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유라칸과 WFIRST의 동시에 관측이 자유로운 궤도를 도는 행성의 마이크로렌즈 파라볼라 측정을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 WFIRST가 탐지한 자유로운 궤도 및 유인 행성의 몇 퍼센트가 이 파라볼라 기법을 통해 질량 측정이 가능한가?
• RQ3 WFIRST 마이크로렌즈 관측 분야에 대한 유라칸의 사전 관측이 유인 행성의 질량 측정을 어떻게 향상시키고 시스템 오차를 줄이는가?
• RQ4 유라칸이 WFIRST의 행성 탐지에 대해 통계적으로 의미 있는 파라볼라 측정을 얻기 위해 필요한 최소 관측 시간은 얼마인가?
• RQ5 유라칸의 관측이 WFIRST의 질량 측정을 다른 기기와 파장으로 교차 확인하는 데 얼마나 기여할 수 있는가?

주요 결과

• 24시간의 유라칸 관측은 W146 = 23.7인 천체에서 신호 대 잡음비(S/N) 25~50을 달성할 수 있으며, 이는 고정밀 광도 측정에 충분하다.
• 96시간의 설문 조사에서는 S/N ≈ 50~100에 도달하여 마이크로렌즈 사건의 강력한 탐지 및 특성 분석이 가능하다.
• 120일 간의 동시에 관측 캠페인 동안 유라칸은 약 70개의 자유로운 궤도 행성과 300개 이상의 유인 행성에 대해 파라볼라 측정을 제공할 수 있다.
• 심지어 1일 간의 고주기 관측만으로도 WFIRST의 짧은 지속시간 사건에서 대부분 또는 전부의 행성 신호를 캡처할 수 있으며, 약 3개의 유인 행성과 약 0.75개의 자유로운 궤도 행성을 탐지할 수 있다.
• WFIRST 관측 분야에 대한 사전 유라칸 관측은 WFIRST의 행성 주의자들 중 약 1/3에 대해 렌즈-원천 분리 측정을 위한 기준선을 두 배로 늘리고, 다른 1/3은 기준선을 연장할 수 있다.
• 유라칸과 WFIRST 데이터의 통합 사용을 통해 자유로운 궤도 행성의 완전한 질량 및 거리 해를 도출할 수 있으며, 이는 WFIRST 단독으로는 불가능한 일이다.