[論文レビュー] Follow-up and characterization of the TESS exoplanets with SOPHIE, SPIRou, and JWST

Nicolas Crouzet, X. Bonfıls+13 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、TESSの系外惑星候補の径画像追従にSOPHIEおよびSPIRouを用いる観測時間と、JWSTを用いた大気特徴付けに要する時間を見積もった。SPIRouは小惑星を効率的に確認できる（平均2.65時間/標高）、一方JWSTは最も望ましい小惑星では約16時間、ハビタブルゾーンの地球サイズの惑星では約60時間で特徴付けが可能であることが判明し、将来的なミッションの効率的な標高選定に貢献した。

ABSTRACT

The NASA TESS mission will deliver hundreds of transiting exoplanet candidates orbiting bright stars. The spectrometers SOPHIE at OHP and SPIRou at CFHT will be ideal to obtain radial velocities of these candidates, confirm their nature, and derive the planets' masses. These measurements will be crucial to deliver the best targets for atmospheric characterization with JWST. Here, we calculate the required observing time with SOPHIE, SPIRou, and JWST for each of the TESS targets in order to prepare follow-up observations. To infer their potential for JWST, we restrict the calculations to the case of transmission spectroscopy with NIRISS. The radial velocity follow-up of the giant planets ($R_p > 4 \ m \\, R_E$) could be achieved with SOPHIE, with a median observing time of 3.47 hours per target, and a total observing time of 305 hours that includes the 80% most favorable cases. Several small planets ($R_p < 4 \ m \\, R_E$) could also be confirmed, but most of them would require an unrealistic time investment. On the other hand, SPIRou is ideally suited to the follow-up of the small planets, with a median observing time of 2.65 hours per target, and a median observing time of 4.70 hours for the terrestrial planets in the habitable zone ($R_p < 2 \ m \\, R_E$, $S < 2 \ m \\, S_E$). With JWST, the 10% most favorable small planets (184 planets) have a median observing time of 16.2 hours, and the 10% most favorable habitable zone terrestrial planets (7 planets) have a median observing time of 59.7 hours. Overall, this study will help define a follow-up strategy and prepare observation programs with SOPHIE and SPIRou before the first planet candidates are delivered by TESS.

研究の動機と目的

• SOPHIEおよびSPIRouを用いたTESS系外惑星候補の径画像追従に要する時間を見積もること。
• JWSTによる大気特徴付けの可能性を評価し、NIRISSを用いた透過スペクトロスコピーに焦点を当てる。
• 地上および宇宙望遠鏡の観測時間の効率的使用を図るため、TESS惑星候補の優先順位を決定すること。
• SPIRouレガシーサーベイの設計および将来的なSOPHIEアップグレードの支援のため、時間投資の必要性を定量化すること。
• RVおよびJWST観測時間の見積もりを統合し、JWSTの最適な標高選定戦略を策定すること。

提案手法

• シミュレーションはSullivanら（2015）のTESSのシミュレートされた惑星カタログに基づく。ここには惑星の半径、公軌道周期、受光量、および母星のパラメータが含まれる。
• 径画像観測時間（t_RV）は、惑星の径画像半振幅Kを用いて計算され、検出のための信号対雑音比の閾値を5と仮定する。
• JWST観測時間（t_JWST）は、透過深さと星の等級を用いて見積もり、最小で2倍の透過時間の下限を設ける。
• 惑星は3つのカテゴリに分類される：巨大惑星（R_p > 4 R_E）、準海王星/スーパーアース（2 R_E < R_p < 4 R_E）、陸上惑星（R_p < 2 R_E）、さらに受光量（高温、温帯、寒冷）で細分化される。
• 追従戦略の指針とするために、累積観測時間分布を計算・プロットし、t_RV > 25時間の標高は除外する。
• 大気特徴付けの仮定は、H/He支配の大気を想定し、時間見積もりの組成への感受性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SOPHIEおよびSPIRouを用いたTESS惑星候補の径画像追従に要する中央値観測時間はどれくらいか？
• RQ2 JWSTによる大気特徴付けに最も適したTESS惑星候補はどれで、その観測時間はどのくらいか？
• RQ3 JWSTの観測時間は惑星の半径、受光量、星の等級によってどのように変化するか？
• RQ4 SPIRouはM型矮星の周囲の小惑星を効率的に確認できるか？また、SOPHIEとの性能比較は？
• RQ5 SOPHIEおよびSPIRouの時間割り当てを最適化することで、確認された惑星数とJWSTの最良標高を最大化する戦略は何か？

主な発見

• 巨大惑星（R_p > 4 R_E）に対するSOPHIEの中央値径画像追従時間は1標高あたり3.47時間であり、上位80%の標高では合計305時間が必要である。
• SPIRouは小惑星を中央値2.65時間/標高で確認可能であり、ハビタブルゾーンの陸上惑星（R_p < 2 R_E、S < 2 S_E）は中央値4.70時間/標高が必要である。
• 小惑星の上位10%（184個の惑星）はJWST NIRISSで中央値16.2時間の観測が必要であり、ハビタブルゾーンの陸上惑星の上位10%は平均59.7時間である。
• H/He支配の大気を仮定した場合、小惑星の中央値JWST観測時間は8時間に低下し、ハビタブルゾーンの陸上惑星では13.1時間にまで短縮されるが、透過時間の制限が影響する。
• 累積観測時間プロットから、SOPHIEは巨大惑星に最適であり、SPIRouはM型矮星周囲の小惑星に最適であることが判明し、効率的な標高選定が可能である。
• 本研究は、RVおよびJWST時間見積もりを統合した定量的フレームワークを提供し、SPIRouレガシーサーベイの設計および将来的なSOPHIEアップグレードの支援に貢献した。