[论文解读] Completing the Census of Exoplanets with the Microlensing Planet Finder (MPF)

D. P. Bennett, Jay Anderson+18 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2010

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 13

一句话总结

该论文提出了系外行星微引力透镜探测器（MPF）任务，这是一项基于空间的微引力透镜观测任务，旨在完成对质量大于0.1倍地球质量、轨道半长轴从0.5 AU至无穷远的系外行星的统计普查。该任务可补充开普勒任务，探测0.5 AU以外的系外行星，包括除水星外所有太阳系行星的类地天体，并提供地面观测和其它方法无法获取的、关于系外行星质量和轨道分布的全面数据，采用已验证技术，总成本为3.33亿美元。

ABSTRACT

The MPF mission will provide a statistical census of exoplanets with masses greater than 0.1 Earth-masses and orbital separations ranging from 0.5AU to infinity. This includes analogs to all the Solar System's planets except for Mercury, as well as most types of planets predicted by planet formation theories. Such a survey will provide results on the frequency of planets around all types of stars except those with short lifetimes. Close-in planets with separations < 0.5 AU are invisible to a space-based microlensing survey, but these can be found by Kepler. Other methods, including ground-based microlensing, cannot approach the comprehensive statistics on the mass and semi-major axis distribution of extrasolar planets that a space-based microlensing survey will provide. The terrestrial planet sensitivity of a ground-based microlensing survey is limited to the vicinity of the Einstein radius at 2-3 AU, and space-based imaging is needed to identify and determine the mass of the planetary host stars for the vast majority of planets discovered by microlensing. Thus, a space-based microlensing survey is likely to be the only way to gain a comprehensive understanding of the architecture of planetary systems, which is needed to understand planet formation and habitability. MPF can accomplish these objectives with proven technology and a cost of $333 million (excluding launch vehicle).

研究动机与目标

• 完成对质量大于0.1倍地球质量、轨道半长轴从0.5 AU至无穷远的系外行星的统计普查。
• 探测与太阳系所有行星（除水星外）类地的行星系统，包括行星形成理论所预测的天体。
• 克服地面微引力透镜观测的局限性，后者仅能探测位于2–3 AU处爱因斯坦半径附近的系外行星。
• 提供关于系外行星质量与半长轴分布的全面数据，这对理解行星形成与宜居性至关重要。
• 通过空间成像实现对宿主恒星质量的精确测定，而这是地面微引力透镜观测对绝大多数探测结果无法实现的。

提出的方法

• 利用空间微引力透镜技术，通过观测前景行星系经过背景恒星前方时引起的临时增亮现象，探测系外行星。
• 从空间开展连续、大视场的巡天，同时监测数百万颗恒星，提高对大轨道距离处低质量行星的探测灵敏度。
• 利用微引力透镜放大效应与行星亮度无关的特性，探测那些用凌星法和径向速度法无法观测到的寒冷、遥远行星。
• 利用空间望远镜解析宿主恒星的光度，通过视 parallax 测量和高分辨率成像确定行星质量。
• 整合多个微引力透镜事件的数据，构建针对不同恒星类型、具有统计可靠性的系外行星系统结构普查。
• 采用已验证、经飞行任务检验的技术，确保任务可行性并降低风险，总成本估算为3.33亿美元（不含发射费用）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在轨道半长轴从0.5 AU至无穷远的范围内，质量大于0.1倍地球质量的系外行星的频率分布如何？
• RQ2 在不同类型的恒星周围，行星系统结构如何变化（排除寿命较短的恒星）？
• RQ3 空间微引力透镜观测能否实现对行星系统的完整普查，包括除水星外所有太阳系行星的类地天体？
• RQ4 空间微引力透镜巡天对大轨道距离类地质量行星的探测灵敏度如何？与地面巡天相比有何差异？
• RQ5 空间微引力透镜在多大程度上可克服地面微引力透镜在测定系外行星宿主恒星质量方面的局限性？

主要发现

• MPF任务可探测质量大于0.1倍地球质量、轨道半长轴从0.5 AU至无穷远的系外行星，包括除水星外太阳系所有行星的类地天体。
• 空间微引力透镜是实现系外行星质量与轨道分布全面普查的唯一可行路径，尤其对0.5 AU以外的行星而言。
• 地面微引力透镜巡天对位于2–3 AU处爱因斯坦半径附近的行星探测灵敏度有限，会遗漏绝大多数关注的行星群体。
• 微引力透镜系外行星宿主恒星质量的测定需要空间成像，而地面观测对绝大多数探测结果无法实现这一点。
• 该任务可采用已验证技术实现，总成本为3.33亿美元，是完成系外行星普查的可行且具成本效益的解决方案。
• MPF通过覆盖微引力透镜无法探测到的内侧行星（轨道半长轴<0.5 AU）区域，与开普勒任务形成互补，确保全天区和全质量范围的覆盖。