[논문 리뷰] The Perkins INfrared Exosatellite Survey (PINES) I. Survey Overview, Reduction Pipeline, and Early Results

Patrick Tamburo, Philip S. Muirhead외 10명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 05.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 106인용 수 19

한 줄 요약

퍼킨스 적외선 외성행성 탐색 조사(PINES)는 1.8m 퍼킨스 망원경을 사용하여 393개의 L형 및 T형 왜소성에서 단기 전행 행성과 위성을 탐지하기 위한 근적외선 광도 측정 조사를 수행한다. 이 조사는 전용 데이터 처리 파이프라인(PAT)과 안내 시스템을 활용하여 2.5 R⊕ 크기의 행성조차도 탐지할 수 있는 광도 정밀도를 확보하였으며, 기존에 알려진 전행 현상을 재현하고, 새로운 가변성 L/T 전이 범주에 속하는 초경량 항성 WISE J045746.08−020719.2를 식별하였다.

ABSTRACT

We describe the Perkins INfrared Exosatellite Survey (PINES), a near-infrared photometric search for short-period transiting planets and moons around a sample of 393 spectroscopically confirmed L- and T-type dwarfs. PINES is performed with Boston University's 1.8 m Perkins Telescope Observatory, located on Anderson Mesa, Arizona. We discuss the observational strategy of the survey, which was designed to optimize the number of expected transit detections, and describe custom automated observing procedures for performing PINES observations. We detail the steps of the $ exttt{PINES Analysis Toolkit}$ ($ exttt{PAT}$), software that is used to create light curves from PINES images. We assess the impact of second-order extinction due to changing precipitable water vapor on our observations and find that the magnitude of this effect is minimized in Mauna Kea Observatories $ extit{J}$-band. We demonstrate the validity of $ exttt{PAT}$ through the recovery of a transit of WASP-2 b and known variable brown dwarfs, and use it to identify a new variable L/T transition object: the T2 dwarf WISE J045746.08-020719.2. We report on the measured photometric precision of the survey and use it to estimate our transit detection sensitivity. We find that for our median brightness targets, assuming contributions from white noise only, we are sensitive to the detection of 2.5 $R_\oplus$ planets and larger. PINES will test whether the increase in sub-Neptune-sized planet occurrence with decreasing host mass continues into the L and T dwarf regime.

연구 동기 및 목표

• 광학적으로 어두운 L형 및 T형 왜소성에서 단기 전행 행성과 위성을 탐색하고자 하며, 이들은 기존의 외계행성 탐색 조사에서 다루지 않은 영역이다.
• 지상 기반 근적외선 관측에서 냉각된 어두운 왜소성의 경우 발생하는 대기 투과 손실 및 조준 불안정성 등의 관측 과제를 극복하고자 한다.
• PINES 데이터에서 고정밀도 밝기 곡선를 생성하기 위해 전용 광도 처리 파이프라인(PAT)을 개발하고 검증하고자 한다.
• 소형 행성(해왕성 이하 크기)에 대한 조사의 감도를 평가하고, 저질량 별 주위에서의 행성 발생 빈도가 감소하는 추세에 따라 계속 증가하는가를 검증하고자 한다.

제안 방법

• Anderson Mesa 관측소에 위치한 1.8m 퍼킨스 망원경을 사용하며, 전용 안내 시스템을 통해 전행 탐지에 최적화된 순환 관측을 수행한다.
• PINES 분석 툴킷(PAT)을 활용하며, 이는 나쁜 픽셀 식별, 이미지 처리, 중심점 추정, 가중치 기반 기준 별 밝기 합산을 통한 개구 광도 측정을 수행하는 전용 광도 처리 파이프라인이다.
• 반복적 표준편차 최소화 기반의 기준 별 가중치 부여 방식을 적용하여 밝기 곡선의 안정성을 향상시키고 기준 별의 변동성을 억제한다.
• 변동하는 수증기 수분량(PWV)에 의한 2차 항성 투과 손실 효과를 분석하여, MKO J-대역 필터가 이러한 체계적 오차를 최소화함을 입증한다.
• 목표 천체의 밝기 곡선를 기준 별 밝기의 가중 평균을 통해 생성하며, 노이즈 모델링을 통해 광도 정밀도와 전행 탐지 감도를 평가한다.
• 파이프라인의 유효성을 검증하기 위해 기존에 알려진 WASP-2 b의 전행을 재현하고, 주기 분석을 통해 가변성 천체를 식별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PINES 조사의 근적외선 광도 정밀도는 얼마이며, 이는 이론적 기대치와 어떻게 비교되는가?
• RQ2 PINES 분석 툴킷(PAT)은 알려진 전행을 신뢰성 있게 재현하고 L/T 전이 영역의 가변성 초경량 항성을 탐지할 수 있는가?
• RQ3 변동하는 수증기로 인한 대기 투과 손실은 얼마나 영향을 미치며, 이 효과는 MKO J-대역에서 최소화되는가?
• RQ4 PINES 조사의 L형 및 T형 왜소성 주위의 전행 행성, 특히 소형 해왕성 크기의 행성에 대한 감도는 어떠한가?
• RQ5 매우 저질량 별 주위에 단기 전행 행성계가 존재하는가? 이러한 시스템은 별 질량 감소에 따라 행성 발생 빈도가 증가하는 경향을 따르는가?

주요 결과

• PINES 조사는 백색 노이즈 기여만을 고려할 경우, 평균 밝기의 목표 천체에서 2.5 R⊕ 이상의 행성을 탐지할 수 있는 광도 정밀도를 확보하였다.
• 기존의 PTO 자동 안내 장치보다 약간 열악한 조준 성능을 보이지만, 전용 안내 시스템은 노이즈가 약간 높을 뿐이며, 이는 조사에서의 사용을 정당화한다.
• PINES 분석 툴킷(PAT)은 WASP-2 b의 전행을 성공적으로 재현하였고, 기존에 알려진 가변성 초경량 항성을 식별하여 전행 탐지에 대한 신뢰성을 확인하였다.
• 5.748 ± 0.011 시간의 주기와 최대 6.5%의 변동 진폭을 가진 새로운 가변성 L/T 전이 범주 초경량 항성 WISE J045746.08−020719.2를 발견하였다.
• 변동하는 수증기 수분량에 의한 2차 항성 투과 손실은 MKO J-대역에서 최소화되며, 이는 조사의 광도 안정성에 최적의 조건을 제공한다.
• 더 나쁜 현상 조건과 감소한 통과율로 인해 예상보다 높은 노이즈가 발생했음에도 불구하고, J-대역 노이즈 모델은 PINES가 거의 전체 목표 샘플에서 소형 해왕성 크기의 행성에 대해 감도를 유지하고 있음을 확인하였다.