[논문 리뷰] The WFIRST Exoplanet Microlensing Survey

D. P. Bennett, Rachel Akeson외 72명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 22.

Astronomy and Astrophysical Research참고 문헌 3인용 수 6

한 줄 요약

WFIRST Exoplanet Microlensing Survey는 광역 적외선 탐사 망원경을 이용해 1 AU 이상의 궤도에서 외계행성을 탐지하는 우주 기반 마이크로렌즈 설문 조사로, 화성 질량까지의 자유롭게 떠도는 행성까지 포함하여 케플러의 단기 궤도 행성에 대한 통계적 조사와 보완한다. 렌즈-소스 상대 운동과 마이크로렌즈 파라볼라 측정을 통해 유 bound 및 비유 bound 행성의 정밀 질량 측정이 가능하며, 행성 형성과 적응 가능성을 이해하는 데 핵심적인 데이터를 제공한다.

ABSTRACT

The Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) was the top ranked large space mission in the 2010 New Worlds, New Horizons decadal survey, and it was formed by merging the science programs of 3 different mission concepts, including the Microlensing Planet Finder (MPF) concept (Bennett \etal\ 2010). The WFIRST science program (Spergel \etal\ 2015) consists of a general observer program, a wavefront controlled technology program, and two targeted science programs: a program to study dark energy, and a statistical census of exoplanets with a microlensing survey, which uses nearly one quarter of WFIRST's observing time in the current design reference mission. The New Worlds, New Horizons (decadal survey) midterm assessment summarizes the science case for the WFIRST exoplanet microlensing survey with this statement: "WFIRST's microlensing census of planets beyond 1 AU will perfectly complement Kepler's census of compact systems, and WFIRST will also be able to detect free-floating planets unbound from their parent stars lap."

연구 동기 및 목표

• 케플러가 접근 가능한 궤도 범위를 초월해 외계행성의 통계적 조사를 확장하여, 특히 장주기 및 저질량 행성에 대해 조사하는 것.
• 주변 항성으로부터 분리된 자유롭게 떠도는 행성들을 탐지하고 특성화하여 행성 형성과 탈출 메커니즘에 대한 통찰을 제공하는 것.
• 마이크로렌즈 파라볼라와 유한한 소스 효과를 사용해, 특히 항성과 연결되지 않은 행성들에 대해 정밀 질량 측정을 수행하는 것.
• 케플러의 밀도 높은 단기 궤도 시스템에 대한 조사와 보완하여, 태양계의 것들과 유사한 먼, 차가운 행성의 집단을 탐색하는 것.
• 다양한 간격과 질량 범위에서 외계행성의 질량 함수와 궤도 분포를 제약하여 행성 형성 과정을 이해하는 데 기여하는 것.

제안 방법

• 행성계나 자유롭게 떠도는 행성에 의해 유도되는 마이크로렌즈 사건을 감지하기 위해, WFIRST 우주 망원경의 광역 적외선 영상 기술을 활용해 수백만 개의 별을 모니터링하는 것.
• 고정밀 광도 측정과 고각 해상도를 활용해 렌즈-소스 상대 운동(μrel)을 측정함으로써 렌즈 시스템의 직접 질량 결정을 가능하게 하는 것.
• WFIRST가 L2 궤도에서 관측하고 지상 기반 천체망원경과 동시에 관측하는 빛의 변화 곡선을 비교함으로써 마이크로렌즈 파라볼라 측정을 수행하며, 특히 자유롭게 떠도는 행성에 초점을 맞추는 것.
• 렌즈 질량을 독립적으로 유도하기 위해 유한한 소스 효과(θE)와 마이크로렌즈 파라볼라를 결합하며, 기존 방법이 실패하는 비유 bound 행성의 경우에 특히 유용한 것.
• 여러 관측소(예: LSST, KMTNet, PRIME)에서 동시에 수행되는 지상 기반 설문 조사로 파라볼라 측정을 향상시키고, 자유롭게 떠도는 행성 사건의 질량 추정치를 개선하는 것.
• 2.4m 지름의 망원경이 향상된 각 해상도와 광도 정밀도를 제공하여, 작은 μrel 분리 간격을 포함한 미세한 렌즈 서명을 탐지하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1 AU 이상에서 외계행성의 질량 분포와 궤도 간격은 어떻게 되는가, 특히 저질량 및 장주기 행성에 대해 어떻게 되는가?
• RQ2 마이크로렌즈를 사용해 화성 질량까지 낮은 자유롭게 떠도는 행성들을 탐지하고 특성화할 수 있으며, 그 성질은 행성 형성과 탈출 과정에 대해 어떤 통찰을 제공하는가?
• RQ3 마이크로렌즈 파라볼라와 유한한 소스 효과를 사용해 비유 bound 행성의 질량을 얼마나 정밀하게 결정할 수 있는가?
• RQ4 WFIRST 마이크로렌즈 설문 조사가 케플러의 밀도 높은 단기 궤도 시스템에 대한 조사와 비교할 때 궤도 구조와 질량 분포 측면에서 얼마나 보완하는가?
• RQ5 자유롭게 떠도는 행성 질량 함수의 통계적 추정치에 영향을 미칠 수 있는 체계적 편향은 무엇이며, 직접 질량 측정을 통해 어떻게 제약을 두어야 하는가?

주요 결과

• WFIRST는 다른 방법보다 질량이 두 계급 낮은 행성을 감지할 수 있으며, 1 AU 이상의 궤도에서 지구 질량의 행성까지 감지할 수 있다.
• 이 설문 조사는 화성 질량(0.1 M⊕)까지의 자유롭게 떠도는 행성까지 감지할 수 있으며, 그들의 질량을 직접 측정할 수 있는 唯一支원 방법을 제공한다.
• 동시 지상 기반 및 WFIRST 관측으로부터의 마이크로렌즈 파라볼라 측정을 통해 자유롭게 떠도는 행성의 질량 결정이 가능하며, 시뮬레이션된 10 M⊕ 행성의 경우 LSST와 WFIRST 간의 빛의 변화 곡선 이동으로 감지 가능하다.
• 고각 해상도와 1개의 별당 40,000장의 이미지로, WFIRST는 허블 우주 망원경 이미지에서 해상할 수 있는 것보다 작은 렌즈-소스 분리 간격을 측정할 수 있으며, 이는 μrel 측정을 향상시킨다.
• 모의 감지 영역에서 별당 약 3개의 행성을 감지할 수 있으며, 감도는 달 질량(0.025 M⊕)까지 도달한다.
• 이 방법은 OGLE-2005-BLG-169 사건에서 질량 14.1 ± 0.9 M⊕의 유 bound 행성과 질량 0.69 ± 0.02 M☉의 별 주위에서 성공적으로 질량을 측정하였으며, HST 후속 관측을 통해 기술의 타당성이 검증되었다.