[논문 리뷰] Predictions of the Nancy Grace Roman Space Telescope Galactic Exoplanet Survey II: Free-Floating Planet Detection Rates

Samson A. Johnson, Matthew T. Penny외 6명|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|2020. 06. 18.

Historical Astronomy and Related Studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 니anny Grace 로만 우주망원경이 중력 렌즈 효과를 통해 약 250개의 자유로운 항성질량 물체(FFPs)를 탐지할 것으로 예측하며, 질량이 지구 질량(0.1 M⊕)에 이르는 물체까지 탐지 가능할 것으로 보고 있다. 이는 렌즈 효과가 1.5시간 이내로 지속되는 사건을 관측함으로써 가능하며, 현재의 제약 조건에 비해 FFP 인구에 대한 상한선을 최소한 한 계급 이상 향상시킬 것이다.

ABSTRACT

The Nancy Grace Roman Space Telescope (Roman) will perform a Galactic Exoplanet Survey (RGES) to discover bound exoplanets with semi-major axes greater than 1 au using gravitational microlensing. Roman will even be sensitive to planetary mass objects that are not gravitationally bound to any host star. Such free-floating planetary mass objects (FFPs) will be detected as isolated microlensing events with timescales shorter than a few days. A measurement of the abundance and mass function of FFPs is a powerful diagnostic of the formation and evolution of planetary systems, as well as the physics of the formation of isolated objects via direct collapse. We show that Roman will be sensitive to FFP lenses that have masses from that of Mars ($0.1 M_\oplus$) to gas giants ($M\gtrsim100M_\oplus$) as isolated lensing events with timescales from a few hours to several tens of days, respectively. We investigate the impact of the detection criteria on the survey, especially in the presence of finite-source effects for low-mass lenses. The number of detections will depend on the abundance of such FFPs as a function of mass, which is at present poorly constrained. Assuming that FFPs follow the fiducial mass function of cold, bound planets adapted from Cassan et al. (2012), we estimate that Roman will detect $\sim250$ FFPs with masses down to that of Mars (including $\sim 60$ with masses $\le M_\oplus$). We also predict that Roman will improve the upper limits on FFP populations by at least an order of magnitude compared to currently-existing constraints.

연구 동기 및 목표

• 로만 우주망원경의 은하계 외계행성 탐사에 의한 자유로운 항성질량 물체(FFPs) 탐지율을 예측하기 위해.
• 중력 렌즈를 통한 FFP 탐지 감도를 화성 질량(0.1 M⊕)에서 기체 거대행성(≥100 M⊕)까지의 질량 범위에 대해 평가하기 위해.
• 특히 유한한 소스 효과가 저질량 FFP의 식별에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• 기존 관측 제약 조건에 비해 FFP 인구에 대한 상한선 향상 정도를 추정하기 위해.
• 단독 FFP의 질량 결정을 가능하게 하는 중력 렌즈 파라렐렉스 및 천구 렌즈 반경 측정의 역할을 평가하기 위해.

제안 방법

• 로만 은하계 외계행성 탐사에서 발생하는 중력 렌즈 사건을 모델링하기 위해 GULLS 소프트웨어를 사용한 시뮬레이션.
• 0.1 M⊕에서 ≥100 M⊕의 질량과 1.5시간에서 수십 일의 시간스케일을 갖는 FFP의 중력 렌즈 밝기 곡선을 모델링.
• 저질량 렌즈에 대한 탐지 편향을 평가하기 위해 유한한 소스 효과를 통합.
• 소스 광도, 색상 및 천구 반경(θ*) 간의 경험적 관계를 사용하여, 파라렐렉스 측정과 결합했을 때 천구 렌즈 반경(θE)을 추정.
• 동시에 지상 및 위성 기반 관측을 통해 중력 렌즈 파라렐렉스 측정을 적용하여 딜레마를 해소하고 렌즈 질량을 결정.
• 결합된 행성의 기본 질량 함수(Cassan et al., 2012)를 자유로운 항성질량 물체의 인구 분포 추정을 위해 변형 적용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 로만 우주망원경의 은하계 외계행성 탐사에서 자유로운 항성질량 물체(FFPs)의 예상 탐지율은 얼마인가?
• RQ2 이 탐사가 지구 질량의 0.1배에 이르는 FFP에 얼마나 민감한가? 탐지에 필요한 시간스케일은 무엇인가?
• RQ3 유한한 소스 효과가 저질량 FFP의 탐지 가능성에 미치는 영향은 무엇인가? 특히 소스 별이 거대 별이 아닌 경우에 대해 설명하라.
• RQ4 로만과 지상 천체망원경의 중력 렌즈 파라렐렉스 측정이 고립된 FFP의 질량 추정치를 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 로만의 관측이 현재의 관측 제약 조건에 비해 FFP의 빈도에 대한 상한선을 얼마나 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 로만은 약 250개의 자유로운 항성질량 물체(FFPs)를 탐지할 것으로 예측되며, 이 중 약 60개는 질량이 1 M⊕ 이하일 것이다.
• 이 탐사에서는 질량이 0.1 M⊕에 이르는 FFP까지 탐지 가능하며, 이는 렌즈 효과가 최소 1.5시간 이내로 지속되는 사건을 의미한다.
• 유한한 소스 효과는 저질량 렌즈의 탐지 효율성에 영향을 미칠 것으로 예상되며, 특히 거대 별이 아닌 소스 별일 경우 더욱 그렇다. 이에 따라 비거대 별에 대한 校정된 관계식이 필요하다.
• 로만은 기존 제약 조건에 비해 FFP 인구에 대한 상한선을 최소한 한 계급 이상 향상시킬 것이다.
• 파라렐렉스 측정과 유한한 소스 효과 측정을 병행함으로써 FFP의 질량 측정이 가능해지며, 천구 렌즈 반경과 렌즈 질량을 결정할 수 있다.
• 이 탐사는 별의 초기 질량 함수와 행성계에서의 행성 탈출 동역학에 대한 핵심 통찰을 제공할 것이다.