[论文解读] Expected Planet and False Positive Detection Rates for the Transiting Exoplanet Survey Satellite

Timothy M. Brown, David W. Latham|ArXiv.org|Dec 7, 2008

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文基于已知系外行星分布和恒星族模型的模拟，估算斯威夫特空间望远镜（TESS）可探测到的凌星系外行星及天体物理假阳性事件的期望数量。研究量化了地面后续观测所需资源，预测确认和表征系外行星（尤其是超级地球）将需要约1,400个望远镜夜的成像观测、300个望远镜夜的低精度径向速度测量，以及380个望远镜夜的高精度径向速度测量。

ABSTRACT

The proposed Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) will survey the entire sky to locate the nearest and brightest transiting extrasolar planets with orbital periods up to about 36 days. Here we estimate the number and kind of astrophysical false positives that TESS will report, along with the number of extrasolar planets. These estimates are then used to size the ground-based follow-up observing efforts needed to confirm and characterize the planets. We estimate that the needed observing resources will be about 1400 telescope-nights of imaging with 0.5m to 1m-class telescopes, 300 telescope-nights with 1m to 2m-class telescopes for the classification of the host stars and for radial velocity measurements with roughly 1 km/s precision, and 380 telescope-nights with 2m to 4m-class telescopes for radial velocity studies with precision of a few m/s. Follow-up spectroscopy of the smallest planets discovered by TESS at the best possible velocity precision will be limited by the number of telescope nights available on 4m to 10m class telescopes with instruments such as HARPS and HIRES, but the pay-off of such efforts will be the determination of masses for Super Earths with sufficient accuracy to distinguish rocky desert planets from water worlds.

研究动机与目标

• 估算TESS在探测过程中可能发现的、能模拟凌星现象的天体物理假阳性事件的数量和类型。
• 确定区分真实行星与假阳性事件所需的地面后续观测资源。
• 预测用于测量行星质量（尤其是超级地球）的径向速度测量所需望远镜时间。
• 评估在凌星搜索前预先筛选目标恒星（如剔除巨星）对降低后续观测成本的影响。
• 评估利用高精度光谱学测量小行星质量的可行性及其对表征行星成分的影响。

提出的方法

• 改编Brown（2003）的模拟代码，用于建模视线方向上的三合星系统及其类似凌星的光变曲线。
• 修改代码以考虑TESS的探测灵敏度、观测策略以及全银河系恒星的分布。
• 利用已知系外行星的周期和半径分布数据，校准真实系外行星凌星的模拟。
• 建模假阳性源，包括掠过食双星、含巨星的食双星，以及因明亮第三星导致的稀释食双星。
• 基于预期探测率，估算成像、低精度径向速度测量和高精度径向速度测量的观测时间需求。
• 评估在凌星搜索前通过剔除巨星来预先筛选目标恒星可能节省的时间。

实验结果

研究问题

• RQ1 在为期两年的天空巡天中，TESS预计能探测到多少颗凌星系外行星和假阳性事件？
• RQ2 假阳性事件的预期分布如何？它们在深度、持续时间和轨道周期方面与系外行星凌星有何不同？
• RQ3 确认和表征TESS发现的系外行星需要多少地面后续观测时间？
• RQ4 通过预先筛选目标恒星（如剔除巨星）能在多大程度上减少总后续观测工作量？
• RQ5 利用高精度径向速度光谱学可实现多少颗超级地球的质量测量？

主要发现

• TESS预计可探测到约1,400颗凌星系外行星，其中显著比例的假阳性事件源于食双星等天体物理现象，以及视线方向上的三合星系统。
• 地面后续观测总需求估计为：使用0.5米至1米望远镜进行成像需1,400个望远镜夜，低精度径向速度测量（1 km s⁻¹）需300个望远镜夜，高精度径向速度测量（数米每秒）需380个望远镜夜。
• 通过预先筛选目标恒星以剔除巨星，可使成像后续观测减少约5%，低精度径向速度观测减少约10%，但对高精度测量影响甚微。
• 对超级地球的质量测量将极为耗时，以75个夜晚的HARPS观测时间，仅可能实现二至三打此类测量。
• 高精度径向速度测量（1 m s⁻¹）对区分岩石类沙漠行星与海洋行星至关重要，但受限于4米至10米级望远镜的观测时间。
• 对于詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）进行大气表征，最理想的候选目标是距离最近、最明亮且拥有凌星超级地球的恒星，而TESS正是为此类天体设计的。