[论文解读] ET White Paper: To Find the First Earth 2.0

Jian Ge, Hui Zhang+165 more|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2022

Astronomy and Astrophysical Research被引用 17

一句话总结

ET 任务提出在日地拉格朗日L2点部署七台30厘米望远镜，开展基于空间的宽场光度巡天，利用凌星法和微引力透镜法探测类地行星，特别是地球2.0。该任务可借助30米级地面望远镜实现高精度径向速度后续观测，并利用詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）和三十米望远镜（TMT）对宜居带行星进行大气表征，显著推进类地世界搜寻进程。

ABSTRACT

We propose to develop a wide-field and ultra-high-precision photometric survey mission, temporarily named "Earth 2.0 (ET)". This mission is designed to measure, for the first time, the occurrence rate and the orbital distributions of Earth-sized planets. ET consists of seven 30cm telescopes, to be launched to the Earth-Sun's L2 point. Six of these are transit telescopes with a field of view of 500 square degrees. Staring in the direction that encompasses the original Kepler field for four continuous years, this monitoring will return tens of thousands of transiting planets, including the elusive Earth twins orbiting solar-type stars. The seventh telescope is a 30cm microlensing telescope that will monitor an area of 4 square degrees toward the galactic bulge. This, combined with simultaneous ground-based KMTNet observations, will measure masses for hundreds of long-period and free-floating planets. Together, the transit and the microlensing telescopes will revolutionize our understandings of terrestrial planets across a large swath of orbital distances and free space. In addition, the survey data will also facilitate studies in the fields of asteroseismology, Galactic archeology, time-domain sciences, and black holes in binaries.

研究动机与目标

• 测量类太阳恒星周围类地行星的出现率及其轨道分布。
• 利用微引力透镜法探测长周期行星和流浪行星，尤其聚焦于银河系银心区域。
• 识别附近、明亮、可凌星的类地行星，以适用于大气表征。
• 利用30米级地面望远镜实现对地球孪生行星的高精度径向速度后续观测。
• 通过聚焦开普勒和TESS任务遗漏的宜居带行星，填补系外行星巡天中的关键空白。

提出的方法

• 在日地拉格朗日L2点部署七台30厘米望远镜：六台凌星望远镜视场为500 deg²，一台微引力透镜望远镜视场为4 deg²。
• 对原始开普勒天区进行为期四年的连续监测，以探测凌星行星。
• 利用同步进行的地基KMTNet观测，提升微引力透镜事件的探测与质量测量能力。
• 利用30米级望远镜上的ESPRESSO型仪器模拟径向速度测量，以探测地球质量行星。
• 利用JWST和TMT对G型与K型恒星周围类地行星的透射光谱进行建模，评估信噪比（SNR）。
• 整合数据用于恒星震学、银河系考古学、时域天文学研究以及双黑洞探测。

实验结果

研究问题

• RQ1 类太阳恒星周围宜居带内类地行星的出现率是多少？
• RQ2 基于空间的望远镜能否通过微引力透镜法以高质量敏感度探测长周期和流浪行星？
• RQ3 30米级地面望远镜能否在V ~ 15等恒星周围通过径向速度测量实现对地球质量行星的3-σ检测？
• RQ4 利用JWST和TMT探测明亮G型与K型恒星周围类地行星的大气吸收特征的可探测性如何？
• RQ5 ET的光度与光谱能力如何提升对行星系统结构与宜居性的约束？

主要发现

• 使用类似TMT的仪器进行300个夜晚的观测，可通过径向速度测量实现对V ~ 15等类太阳恒星周围地球质量行星的3-σ检测。
• 在总曝光时间100小时的假设下，JWST可探测到V = 8的G型恒星周围类地行星的大气吸收特征，以及V = 8的K型恒星周围类地行星的大气吸收特征。
• TMT可在V = 10的G型与K型恒星周围，通过100小时曝光时间探测到相同的大气特征，显示出对附近明亮目标的高灵敏度。
• 模拟的透射光谱在真实观测条件下显示出对分子特征（如O₂、H₂O、CO₂）的可探测信噪比。
• ET的凌星巡天预计将发现数以万计的凌星行星，包括大量围绕类太阳恒星的地球孪生行星。
• 结合凌星与微引力透镜观测，可对数百颗长周期与流浪行星实现质量测量，填补系外行星群体统计的关键空白。