[论文解读] ESPRESSO: The next European exoplanet hunter

F. Pepe, P. Molaro+56 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2014

Astronomy and Astrophysical Research被引用 5

一句话总结

ESPRESSO 是甚大望远镜（VLT）的下一代高分辨率光谱仪，通过结合多达四台 8.2 米单元望远镜的光，旨在实现 10 cm/s 的径向速度测量精度。该仪器可实现对宜居带内类地系外行星的超精密探测与表征，并用于探测基本物理常数的可能变化。

ABSTRACT

The acronym ESPRESSO stems for Echelle SPectrograph for Rocky Exoplanets and Stable Spectroscopic Observations; this instrument will be the next VLT high resolution spectrograph. The spectrograph will be installed at the Combined-Coudé Laboratory of the VLT and linked to the four 8.2 m Unit Telescopes (UT) through four optical Coudé trains. ESPRESSO will combine efficiency and extreme spectroscopic precision. ESPRESSO is foreseen to achieve a gain of two magnitudes with respect to its predecessor HARPS, and to improve the instrumental radial-velocity precision to reach the 10 cm/s level. It can be operated either with a single UT or with up to four UTs, enabling an additional gain in the latter mode. The incoherent combination of four telescopes and the extreme precision requirements called for many innovative design solutions while ensuring the technical heritage of the successful HARPS experience. ESPRESSO will allow to explore new frontiers in most domains of astrophysics that require precision and sensitivity. The main scientific drivers are the search and characterization of rocky exoplanets in the habitable zone of quiet, nearby G to M-dwarfs and the analysis of the variability of fundamental physical constants. The project passed the final design review in May 2013 and entered the manufacturing phase. ESPRESSO will be installed at the Paranal Observatory in 2016 and its operation is planned to start by the end of the same year.

研究动机与目标

• 开发一种高精度光谱仪，以探测附近恒星适居带内的低质量、类地系外行星。
• 实现 10 cm/s 级别的径向速度测量精度，以探测类太阳恒星和 M 型矮星周围的地球质量行星。
• 通过同时使用多达四台甚大望远镜单元望远镜，提高信噪比和观测效率。
• 利用长期、高稳定性的光谱监测，研究基本物理常数的可能变化。
• 确保与欧洲南方天文台（ESO）数据流和控制系统完全集成，实现在观测者模式和服务模式下的无缝运行。

提出的方法

• 通过 Coudé 光路将多达四台 8.2 米甚大望远镜单元望远镜的光联合传输至综合 Coudé 实验室内的中心光谱仪。
• 采用激光频率梳作为同时波长参考系统，以稳定光谱仪并校正仪器漂移。
• 实施完全自动化的数据还原管道（DRS），在观测结束后一分钟内输出科学就绪的数据。
• 集成先进的数据分析软件（DAS），内建预设的处理方案，用于恒星大气参数测量、类星体连续谱拟合及吸收系统探测。
• 采用现代可编程逻辑控制器（PLC）和商用现成（COTS）TCCD，取代旧式 VME 技术，以提升可靠性与可维护性。
• 设计仪器时采用极端热稳定性和机械稳定性，以最大限度减少仪器噪声，确保长期光谱测量精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过多台大型望远镜联合光路的方式，光谱仪能否实现低于 10 cm/s 的径向速度测量精度？
• RQ2 在高 through-put、多单元望远镜光谱仪中，如何有效实施基于激光频率梳的同时参考技术？
• RQ3 在地面运行、高流量的天文台环境中，为保持高分辨率光谱仪的极端稳定性和精度，需要哪些设计创新？
• RQ4 如何集成数据流与控制系统，以支持观测者模式和服务模式运行，并将延迟降至最低？
• RQ5 ESPRESSO 在多大程度上能够实现对 M 型矮星周围地球质量行星的探测，以及对基本物理常数长期变化的测量？

主要发现

• ESPRESSO 实现了 10 cm/s 的投影径向速度精度，相比其前身 HARPS，灵敏度提升了两个数量级。
• 该仪器可配置为使用一至四台甚大望远镜单元望远镜，显著增加了有效集光面积和信噪比。
• 数据还原管道（DRS）完全自动化，能够在观测后一分钟内输出科学就绪的高精度径向速度测量结果。
• ESPRESSO 的控制系统采用现代 PLC 和商用现成（COTS）组件，标志着从旧式 VME 技术的转变，提升了可维护性与可扩展性。
• 该仪器计划于 2016 年安装于帕拉纳天文台，预计同年年底投入运行。
• ESPRESSO 将支持关键科学目标，包括探测适居带内的类地系外行星，以及对基本物理常数的长期监测。