[논문 리뷰] SPHERE+: Imaging young Jupiters down to the snowline

A. Boccaletti, G. Chauvin외 131명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 12.

Astro and Planetary Science참고 문헌 2인용 수 22

한 줄 요약

SPHERE+는 VLT의 SPHERE 기구에 중대한 업그레이드를 제안하여, 눈선 이하까지의 젊은 목성형 행성의 고대비 이미징을 가능하게 한다. 이는 가시광선 및 적외선 채널에서 감도, 대비 및 스펙트럼 해상도를 향상시킴으로써 이루어지며, 고도화된 웨이브프론트 제어, 새로운 편광 모드, 고속 가시광선 IFS 통합을 통해 원행 星 및 원행성 환경의 탐지 능력을 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

SPHERE (Beuzit et al,. 2019) has now been in operation at the VLT for more than 5 years, demonstrating a high level of performance. SPHERE has produced outstanding results using a variety of operating modes, primarily in the field of direct imaging of exoplanetary systems, focusing on exoplanets as point sources and circumstellar disks as extended objects. The achievements obtained thus far with SPHERE (~200 refereed publications) in different areas (exoplanets, disks, solar system, stellar physics...) have motivated a large consortium to propose an even more ambitious set of science cases, and its corresponding technical implementation in the form of an upgrade. The SPHERE+ project capitalizes on the expertise and lessons learned from SPHERE to push high contrast imaging performance to its limits on the VLT 8m-telescope. The scientific program of SPHERE+ described in this document will open a new and compelling scientific window for the upcoming decade in strong synergy with ground-based facilities (VLT/I, ELT, ALMA, and SKA) and space missions (Gaia, JWST, PLATO and WFIRST). While SPHERE has sampled the outer parts of planetary systems beyond a few tens of AU, SPHERE+ will dig into the inner regions around stars to reveal and characterize by mean of spectroscopy the giant planet population down to the snow line. Building on SPHERE's scientific heritage and resounding success, SPHERE+ will be a dedicated survey instrument which will strengthen the leadership of ESO and the European community in the very competitive field of direct imaging of exoplanetary systems. With enhanced capabilities, it will enable an even broader diversity of science cases including the study of the solar system, the birth and death of stars and the exploration of the inner regions of active galactic nuclei.

연구 동기 및 목표

• 중앙 항성의 강한 빛으로 이전에 접근이 어려웠던 눈선 내부(일般적으로 2–4 AU)에서 형성 중인 젊은 기상행성의 고대비 이미징 능력을 SPHERE에 확장하기 위해.
• 고도화된 AO 보정, 신규 감지기, 최적화된 웨이브프론트 센싱을 통해 가시광선 및 적외선 채널에서의 기구 감도 및 대비 성능을 향상시키기 위해.
• IRDIS와 ZIMPOL에서의 효율적인 편광 측정을 위해 박편광 분리기 및 기구 내 편광 효과를 안정화시키기 위해.
• 젊은 행성의 물질 유입 서명을 탐지하기 위해 고화속, 저읽기 노이즈 가시광선 통합장치 스펙트로그래프(IFS)를 개발하기 위해.
• 미래의 ELT 기구를 준비하기 위해, 두 번째 단계 AO 시스템 및 고분산 스펙트로스코피의 핵심 구성 요소를 비행 유사 환경에서 테스트하기 위해.

제안 방법

• 가시광선 및 근적외선에서 아크초 이하의 보정을 달성하기 위해 SPHERE+의 적응형 광학 시스템에 새로운 웨이브프론트 센서와 향상된 제어 루프를 구현하기 위해.
• IRDIS에서 표준 편광 이미징을 가능하게 하되 双밴드 이미징 능력을 손상시키지 않기 위해 고반사, 밴드폭 넓은 편광 분리기를 도입하기 위해.
• 대기 난류를 동결하고 스펙클 간섭계와 같은 후처리 기법을 가능하게 하기 위해 가시광선 채널에 저노이즈, 고화속도 EMCCD 감지기를 통합하기 위해.
• ZIMPOL의 코로나그래프 마스크 및 필터를 재검토하고 최적화하여 항성으로부터 4 아크초까지의 분리도 감도를 향상시키기 위해.
• 섬유, 렌체트, 또는 이미지 슬라이서 IFU 구성 방식을 사용한 가시광선 IFS의 실현 가능성 연구를 수행하며, 시야각, 픽셀 해상도, 스펙트럼 해상도에 중점을 두기 위해.
• 기구 내 편광을 안정화하고 선형 편광 외에도 원형 편광 측정을 가능하게 하기 위해 새로운 웨이브 플레이트 통합에 대한 연구를 수행하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SPHERE+는 향상된 AO 보정과 저노이즈 감지기를 통해 가시광선 대역에서 MUSE 대비 최소한 한 계급 이상의 대비 향상을 달성할 수 있는가?
• RQ2 IRDIS에 밴드폭 넓은 편광 분리기를 도입하는 것이 일상적인 편광 이미징을 위해 실현 가능하며 성능 향상에 기여하는가?
• RQ3 ZIMPOL에서의 오프애크스 관측이 항성으로부터 4 아크초까지의 분리도에서 약한 구조를 탐지하기 위해 다이내믹 레인지의 확장을 어느 정도로 가능하게 하는가?
• RQ4 중간 스펙트럼 해상도와 고시간 해상도를 갖춘 가시광선 IFS는 Hα와 같은 방출선을 통해 젊은 기상행성의 물질 유입 서명을 탐지할 수 있는가?
• RQ5 SPHERE+는 PCS(행성 카메라 및 스펙트로그래프) 기술 측면에서 미래의 ELT 기구인 MICADO, HARMONI, METIS의 테스트베드로 얼마나 잘 기능할 수 있는가?

주요 결과

• SPHERE+는 뛰어난 AO 성능과 공간 샘플링 덕분에 MUSE 대비 가시광선 채널에서 최소한 한 계급 이상의 대비 향상을 달성할 것으로 예측된다.
• 가시광선 채널에 저읽기 노이즈, 고화속도 EMCCD 감지기를 추가하면 SHARK-VIS에서 사용된 후처리 기법과 유사하게, 약한 목표물에 대한 감도를 크게 향상시킬 수 있다.
• 실현 가능성 연구는 IRDIS에 밴드폭 넓은 편광 분리기를 제작할 수 있음을 확인했으며, 이는 이중밴드 이미징 능력을 훼손하지 않은 채로 일상적인 편광 이미징을 가능하게 한다.
• ZIMPOL에서의 오프애크스 관측은 관측 가능한 분리 범위를 4 아크초까지 확장할 것으로 기대되며, 대규모 원행성 환경의 탐지 능력을 향상시킬 것이다.
• 렌체트 어레이 또는 섬유 IFU를 갖춘 가시광선 IFS의 통합은 기술적으로 실현 가능하며, 약 2–3 아크초의 시야각에서 중간 해상도 스펙트럼 분석(R ~ 1000–3000)을 제공할 수 있을 것이다.
• SPHERE+는 향후 ELT 기구의 기술적·과학적 사전 시험장으로서 매우 적합하며, 특히 두 번째 단계 AO 시스템 및 고분산 스펙트럼 분석 기술의 테스트에 기여할 수 있다.