[论文解读] Ariel: Enabling planetary science across light-years

G. Tinetti, Paul Eccleston+316 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2021

Spacecraft Design and Technology被引用 27

一句话总结

Ariel 是一项在 2029 年由 ESA 发起的中型任务，旨在通过可见光和红外线对约 1000 颗系外行星进行调查，以确定它们的化学成分和热结构。

ABSTRACT

Ariel, the Atmospheric Remote-sensing Infrared Exoplanet Large-survey, was adopted as the fourth medium-class mission in ESA's Cosmic Vision programme to be launched in 2029. During its 4-year mission, Ariel will study what exoplanets are made of, how they formed and how they evolve, by surveying a diverse sample of about 1000 extrasolar planets, simultaneously in visible and infrared wavelengths. It is the first mission dedicated to measuring the chemical composition and thermal structures of hundreds of transiting exoplanets, enabling planetary science far beyond the boundaries of the Solar System. The payload consists of an off-axis Cassegrain telescope (primary mirror 1100 mm x 730 mm ellipse) and two separate instruments (FGS and AIRS) covering simultaneously 0.5-7.8 micron spectral range. The satellite is best placed into an L2 orbit to maximise the thermal stability and the field of regard. The payload module is passively cooled via a series of V-Groove radiators; the detectors for the AIRS are the only items that require active cooling via an active Ne JT cooler. The Ariel payload is developed by a consortium of more than 50 institutes from 16 ESA countries, which include the UK, France, Italy, Belgium, Poland, Spain, Austria, Denmark, Ireland, Portugal, Czech Republic, Hungary, the Netherlands, Sweden, Norway, Estonia, and a NASA contribution.

研究动机与目标

• 激励一项研究太阳系之外系外行星大气及形成历史的任务。
• 通过观测多样化的系外行星样本，促进统计性行星科学。
• 提供跨多颗行星的化学成分与热结构测量。
• 展示一套在具有红外能力的前提下实现稳定、广泛光谱覆盖的任务体系架构。

提出的方法

• 使用一个偏轴卡塞格林望远镜，主镜为 1100 mm × 730 mm 的椭圆形。
• 同时运行两台仪器，FGS 与 AIRS，覆盖 0.5–7.8 μm。
• 将航天器置于 L2 轨道，以实现热稳定性和广域视场。
• 用 V-形槽辐射器对载荷组件进行被动冷却；用 Ne JT 制冷器主动冷却 AIRS 探测器。
• 通过涵盖多个 ESA 国家和 NASA 的机构联盟共同开发载荷。

实验结果

研究问题

• RQ1 统计显著的系外行星样本的大气组成与行星形成及演化路径之间有何相关性？
• RQ2 过境系外行星的热结构是什么？它们如何随恒星类型、行星质量和轨道而变化？
• RQ3 一个大型、同质的光谱数据集是否能够在多样化系外行星中约束行星大气与形成情景的模型？
• RQ4 实现 0.5–7.8 μm 范围内精确的化学与热测量，需要哪些数据处理流程和仪器性能？

主要发现

• Ariel 被选为 ESA Cosmic Vision 计划中的第四颗中型任务，目标于 2029 年发射。
• 该任务将在可见和红外波段对约 1000 颗系外行星进行观测。
• Ariel 独特地针对数百颗过境系外行星的化学组成和热结构。
• 载荷包括一个偏轴卡塞格林望远镜和两台同时覆盖 0.5–7.8 μm 的仪器（FGS 和 AIRS）。
• 航天器在 L2 处处于最佳位置，大部分硬件采用被动冷却，AIRS 探测器使用主动 Ne JT 冷却。
• Ariel 有载荷由跨越 16 个 ESA 国家的广泛联盟开发，并包含 NASA 的贡献；研究报告于 2020 年接受 ESA 审阅。