[论文解读] The Multi-site All-Sky CAmeRA: Finding transiting exoplanets around bright ($m_V < 8$) stars

Geert Jan Talens, J. F. P. Spronck+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 31被引用 28

一句话总结

多站点全天 CAmeRA（MASCARA）是一项基于地面的凌星巡天，利用位于拉帕尔马和拉西拉的固定指向、大视场相机监测明亮恒星（mV < 8）的系外行星凌星现象。其光度测量精度达到每5分钟1.5%，可探测热木星，并为变星和系外行星后续观测建立长期光变曲线档案。

ABSTRACT

This paper describes the design, operations, and performance of the Multi-site All-Sky CAmeRA (MASCARA). Its primary goal is to find new exoplanets transiting bright stars, $4 < m_V < 8$, by monitoring the full sky. MASCARA consists of one northern station on La Palma, Canary Islands (fully operational since February 2015), one southern station at La Silla Observatory, Chile (operational from early 2017), and a data centre at Leiden Observatory in the Netherlands. Both MASCARA stations are equipped with five interline CCD cameras using wide field lenses (24 mm focal length) with fixed pointings, which together provide coverage down to airmass 3 of the local sky. The interline CCD cameras allow for back-to-back exposures, taken at fixed sidereal times with exposure times of 6.4 sidereal seconds. The exposures are short enough that the motion of stars across the CCD does not exceed one pixel during an integration. Astrometry and photometry are performed on-site, after which the resulting light curves are transferred to Leiden for further analysis. The final MASCARA archive will contain light curves for ${\sim}70,000$ stars down to $m_V=8.4$, with a precision of $1.5\%$ per 5 minutes at $m_V=8$.

研究动机与目标

• 探测现有巡天覆盖不足的明亮恒星（mV < 8）中的凌星系外行星。
• 克服径向速度巡天的局限性，后者因时间限制无法监测所有明亮恒星。
• 为系外行星凌星探测和变异性研究，提供对明亮恒星的长期、全天区光度监测。
• 为未来系外行星表征建立约70,000颗恒星（至 mV = 8.4）的高精度光变曲线档案。
• 通过提供多年基线数据，补充未来如TESS等空间任务，用于长周期和变星目标的研究。

提出的方法

• 在北半球（拉帕尔马）和南半球（拉西拉）部署两座MASCARA站点，实现全天覆盖。
• 每座站点配备五台面间CCD相机，使用焦距24 mm的固定指向镜头，监测整个可见天区至空气质量3。
• 在固定恒星时进行背对背曝光，积分时间为6.4个恒星秒，以最小化恒星在像素间的运动。
• 在本地进行天体测量和光度测量，随后将数据传输至莱顿天文台进行最终分析和光变曲线生成。
• 通过在本地恒星时域内对每个恒星的分箱光变曲线拟合正弦曲线，校正系统噪声。
• 采用温控相机舱室，配备珀尔捷冷却和LED天顶平场用于校准，尽管自2015年起北半球站点已停止主动冷却。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于地面的全天巡天能否实现足够的光度测量精度，以探测明亮恒星（mV < 8）的热木星凌星？
• RQ2 固定指向、大视场相机配合短曝光时间能否在长基线上提供稳定、系统噪声受限的光度测量？
• RQ3 MASCARA在目标星等范围（mV = 4 至 8.4）内的光度测量精度表现如何？
• RQ4 MASCARA的长期监测能力如何与未来如TESS等空间任务形成互补？
• RQ5 MASCARA的数据档案在系外行星探测之外，能在多大程度上支持变星科学研究？

主要发现

• 北半球MASCARA站点在mV = 8时达到每5分钟1.5%的光度测量精度，超过原始1%每小时的目标。
• 在mV = 8.4时，RMS抖动约为2%，在mV = 4时降低至约0.5%，在暗星等处性能受限于天空背景光子噪声，在亮星等处受限于闪烁/残余系统噪声。
• 该巡天成功检测到已知热木星HD189733b（mV = 7.7）的凌星现象，折叠光变曲线的RMS约为1%，证实了仪器的灵敏度。
• 该巡天还检测到RR Lyrae星（mV = 7.1）的周期性变异性，展示了其在变星科学研究方面的能力。
• MASCARA为所有目标提供了多年光变曲线，可检测长周期行星和长期变异性，与TESS的4周监测形成互补。
• 最终的MASCARA档案将包含约70,000颗恒星（至mV = 8.4）的光变曲线，成为系外行星后续观测和恒星变异性研究的宝贵资源。