[论文解读] Follow-up and characterization of the TESS exoplanets with SOPHIE, SPIRou, and JWST

Nicolas Crouzet, X. Bonfıls+13 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 5

一句话总结

本研究估算使用SOPHIE和SPIRou对TESS系外行星候选体进行径向速度后续观测所需的时间，以及使用JWST进行大气表征所需的时间。结果表明，SPIRou在确认小型行星方面最为理想（每目标中位数2.65小时），而JWST可在约16小时内表征最有利的小型行星，约60小时内表征宜居带类地行星，为未来任务的高效目标选择提供指导。

ABSTRACT

The NASA TESS mission will deliver hundreds of transiting exoplanet candidates orbiting bright stars. The spectrometers SOPHIE at OHP and SPIRou at CFHT will be ideal to obtain radial velocities of these candidates, confirm their nature, and derive the planets' masses. These measurements will be crucial to deliver the best targets for atmospheric characterization with JWST. Here, we calculate the required observing time with SOPHIE, SPIRou, and JWST for each of the TESS targets in order to prepare follow-up observations. To infer their potential for JWST, we restrict the calculations to the case of transmission spectroscopy with NIRISS. The radial velocity follow-up of the giant planets ($R_p > 4 \ m \\, R_E$) could be achieved with SOPHIE, with a median observing time of 3.47 hours per target, and a total observing time of 305 hours that includes the 80% most favorable cases. Several small planets ($R_p < 4 \ m \\, R_E$) could also be confirmed, but most of them would require an unrealistic time investment. On the other hand, SPIRou is ideally suited to the follow-up of the small planets, with a median observing time of 2.65 hours per target, and a median observing time of 4.70 hours for the terrestrial planets in the habitable zone ($R_p < 2 \ m \\, R_E$, $S < 2 \ m \\, S_E$). With JWST, the 10% most favorable small planets (184 planets) have a median observing time of 16.2 hours, and the 10% most favorable habitable zone terrestrial planets (7 planets) have a median observing time of 59.7 hours. Overall, this study will help define a follow-up strategy and prepare observation programs with SOPHIE and SPIRou before the first planet candidates are delivered by TESS.

研究动机与目标

• 估算使用SOPHIE和SPIRou对TESS系外行星候选体进行径向速度后续观测所需的时间。
• 评估使用JWST进行大气表征的可行性，重点考察NIRISS的凌星光谱法。
• 指导TESS行星候选体的优先排序，以实现地面和空间望远镜观测时间的高效利用。
• 通过量化时间投入需求，支持SPIRou遗产调查的设计和未来SOPHIE升级。
• 基于径向速度和JWST观测时间估算，制定选择最有利JWST目标的战略。

提出的方法

• 模拟基于Sullivan等人（2015年）提供的TESS模拟系外行星星表，包含行星半径、轨道周期、恒星辐照度和恒星参数。
• 径向速度观测时间（t_RV）基于行星的径向速度半振幅K计算，假设检测的信噪比阈值为5。
• JWST观测时间（t_JWST）基于凌星深度和恒星视星等估算，以两倍凌星时长作为下限。
• 分析考虑三种行星类别：类木行星（R_p > 4 R_E）、亚海王星/超级-Earth（2 R_E < R_p < 4 R_E）和类地行星（R_p < 2 R_E），并按辐照度进一步划分为炽热、温和和寒冷。
• 计算并绘制累积观测时间分布，以指导后续观测策略，排除t_RV > 25小时的目标。
• 大气表征假设大气以H/He为主，以测试时间估算对大气成分的敏感性。

实验结果

研究问题

• RQ1 使用SOPHIE和SPIRou对TESS系外行星候选体进行径向速度后续观测，其中位数观测时间是多少？
• RQ2 哪些TESS系外行星候选体最适于使用JWST进行大气表征？所需观测时间是多少？
• RQ3 JWST的观测时间如何随行星半径、辐照度和恒星视星等变化？
• RQ4 SPIRou能否高效确认M型恒星周围的类地行星？其性能与SOPHIE相比如何？
• RQ5 如何最优分配SOPHIE和SPIRou的观测时间，以最大化确认的行星数量和最佳JWST目标？

主要发现

• 对于类木行星（R_p > 4 R_E），SOPHIE的中位径向速度后续观测时间为每目标3.47小时，前80%最有利情况的总时间为305小时。
• SPIRou可实现每目标2.65小时的中位观测时间来确认小型行星，而位于宜居带的类地行星（R_p < 2 R_E，S < 2 S_E）的中位观测时间为每目标4.70小时。
• 最有利的10%小型行星（184颗）需使用JWST NIRISS进行约16.2小时的中位观测时间，而最有利的10%宜居带类地行星平均需59.7小时。
• 对于以H/He为主的大气，小型行星的中位JWST观测时间降至8小时，宜居带类地行星降至13.1小时，受限于凌星时长。
• 累积观测时间分布图显示，SOPHIE最适合类木行星，而SPIRou在M型恒星周围小型行星的确认中表现最优，有助于实现高效的目标优先排序。
• 本研究基于径向速度与JWST时间估算的综合结果，提供了一个定量框架，用于选择高价值JWST目标，支持SPIRou遗产调查的设计和未来SOPHIE升级。