[논문 리뷰] Performance of the VLT Planet Finder SPHERE I. Photometry and astrometry precision with IRDIS and IFS in laboratory

A. Zurlo, A. Vigan외 27명|arXiv (Cornell University)|2014. 10. 07.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 60인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 인젝션된 합성 행성을 포함한 실험실 데이터를 사용하여 SPHERE 기구의 IRDIS 및 IFS 서브시스템의 광도 및 천체측량 정밀도를 평가한다. IRDIS는 β Pictoris에 있는 밝은 10 M_Jup 행성에 대해 약 0.16 mag의 광도 오차와 1.1 mas의 천체측량 오차를 달성하는 반면, IFS는 채널당 0.15 mag 및 0.6 mas의 천체측량 오차를 달성하여, 각도 차별 이미징에 의존하지 않고 직접 이미징된 외계행성의 고정밀 특성화를 가능하게 한다.

ABSTRACT

The new planet finder for the Very Large Telescope (VLT), the Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet REsearch (SPHERE), just had its first light in Paranal. A dedicated instrument for the direct detection of planets, SPHERE, is composed of a polametric camera in visible light, the Zurich IMager POLarimeter (ZIMPOL), and two near-infrared sub-systems: the Infra-Red Dual-beam Imager and Spectrograph (IRDIS), a multi-purpose camera for imaging, polarimetry, and long-slit spectroscopy, and the integral field spectrograph (IFS), an integral field spectrograph. We present the results obtained from the analysis of data taken during the laboratory integration and validation phase, after the injection of synthetic planets. Since no continuous field rotation could be performed in the laboratory, this analysis presents results obtained using reduction techniques that do not use the angular differential imaging (ADI) technique. To perform the simulations, we used the instrumental point spread function (PSF) and model spectra of L and T-type objects scaled in contrast with respect to the host star. We evaluated the expected error in astrometry and photometry as a function of the signal to noise of companions, after spectral differential imaging (SDI) reduction for IRDIS and spectral deconvolution (SD) or principal component analysis (PCA) data reductions for IFS. We deduced from our analysis, for example, that $β$Picb, a 12~Myr old planet of $\sim$10~\MJ and semi-major axis of 9--10 AU, would be detected with IRDIS with a photometric error of 0.16~mag and with a relative astrometric position error of 1.1~mas. With IFS, we could retrieve a spectrum with error bars of about 0.15~mag on each channel and astrometric relative position error of 0.6~mas. For a fainter object such as HR8799d, a 13~\MJ planet at a distance of 27~AU, IRDIS could obtain a relative astrometric error of 3~mas.

연구 동기 및 목표

• 통제된 실험실 환경에서 SPHERE의 IRDIS 및 IFS의 광도 및 천체측량 성능을 평가하기 위해.
• 스펙트럼 차별 이미징(SDI) 및 스펙트럼 분해(deconvolution, SD)/주성분 분석(PCA)을 사용할 경우 직접 이미징된 외계행성의 광도, 천체측량, 스펙트럼 측정에 대한 기대 오차를 정량화하기 위해.
• 청색자기광을 발산하는 젊은, 자가광을 발산하는 외계행성을 주된 별에서 큰 거리에 위치한 경우에 대해 탐지하고 특성화할 수 있는 기구의 능력을 평가하기 위해.
• 특히 β Pictoris b 및 HR 8799 d와 같은 목표물에 대해 향후 천체에서의 관측을 위한 기초 오차 추정치를 제공하기 위해.
• 고정밀 천체측량을 통해 가짜 긍정 결과를 거부하고 궤도 파rameter 추정을 향상시키기 위해.

제안 방법

• 알려진 대비 및 분리 거리의 합성 행성을 IRDIS 및 IFS의 원시 실험실 데이터에 인젝션하였다.
• 기구의 점원형함수(PSF) 및 L형 및 T형 천체의 모델 스펙트럼을 사용하여 동반 천체 신호를 시뮬레이션하였다.
• IRDIS의 경우 SDI 감소를 적용한 후 신호 대 잡음비(S/N)에 따라 광도 및 천체측량 오차를 계산하였으며, IFS의 경우 SD 또는 PCA를 사용하였다.
• 실험실 환경에서 필드의 회전이 없기 때문에 각도 차별 이미징(ADI)을 배제하고, SDI 및 PCA 기반 기법에 집중하였다.
• 캘리브레이션 불확실성 및 기구 노이즈 기여도를 포함한 광도 및 천체측량 오차 예산을 도출하였다.
• 비슷한 목표물인 β Pictoris b 및 HR 8799 d를 사용하여 기존 기구인 VLT/NACO와의 성능을 비교 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실험실 조건에서 SPHERE의 IRDIS 및 IFS 기구가 직접 이미징된 외계행성에 대해 기대할 수 있는 광도 정밀도는 무엇인가?
• RQ2 SDI 및 PCA 기반 데이터 감소를 사용할 경우, 다양한 신호 대 잡음비(S/N)에서 동반 천체의 가시 천체측량 정확도는 얼마인가?
• RQ3 SPHERE와 이전 기구인 VLT/NACO 간의 β Pictoris b에 대한 광도 및 천체측량 오차는 어떻게 비교되는가?
• RQ4 SPHERE의 IFS는 스펙트럼 채널당 낮은 오차 막대를 갖는 고정밀도 스펙트럼 측정을 어느 정도 달성할 수 있는가?
• RQ5 캘리브레이션 불확실성과 기구적 제약 조건은 광도 및 천체측량의 최소 달성 가능한 오차에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• β Pictoris b(12 Myr, 약 10 M_Jup, 9–10 AU)에 대해 IRDIS는 광도 오차 0.16 mag 및 상대 천체측량 위치 오차 1.1 mas를 달성한다.
• IFS를 사용할 경우, 동일한 목표물에 대해 스펙트럼 오차 막대는 약 0.15 mag/채널이며 상대 천체측량 오차는 0.6 mas이다.
• 더 희미한 HR 8799d(13 M_Jup, 27 AU)에 대해 IRDIS는 상대 천체측량 오차 3 mas를 달성하여 NACO의 13 mas보다 크게 향상되었다.
• β Pictoris b에 대한 광도 오차 0.16 mag는 COND 또는 DUSTY 모델을 사용할 경우 약 0.5 M_Jup의 질량 불확실성을, 코어 응집 모델을 사용할 경우 1–2 M_Jup의 질량 불확실성을 의미한다.
• 고정밀 천체측량 정밀도(밀리초보 이하 수준)는 짧은 기간 동안 공전하는 동반 천체의 신뢰성 있는 탐지에 기여하며, 배경 항성과 진짜 행성을 구분하는 데 도움을 준다.
• 결과는 SPHERE의 성능이 각도 차별 이미징(ADI)과 결합될 경우, 특히 KLIP 감소 기법을 사용할 경우 천체에서의 성능이 크게 향상될 것임을 시사한다. 이는 신호 없는 라이브러리 조건이 향상되기 때문이다.