[论文解读] Large Interferometer For Exoplanets (LIFE). X. Detectability of currently known exoplanets and synergies with future IR/O/UV reflected-starlight imaging missions

Óscar Carrión-González, Jens Kammerer+11 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2023

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 1

一句话总结

本文评估了利用大型系外行星干涉仪（LIFE）在热辐射波段探测目前已知系外行星的可检测性，并探讨了与未来宜居世界观测台（HWO）在反射星光波段的协同潜力。通过轨道模拟和LIFEsim模拟器，研究发现LIFE可在20秒差距内探测到212颗系外行星，其中包括55颗同样可被HWO探测到的行星，其中有38颗位于宜居带内——其中13颗为超级类地行星（质量Mp < 5M⊕）。

ABSTRACT

The next generation of space-based observatories will characterize the atmospheres of low-mass, temperate exoplanets with the direct-imaging technique. This will be a major step forward in our understanding of exoplanet diversity and the prevalence of potentially habitable conditions beyond the Earth. We compute a list of currently known exoplanets detectable with the mid-infrared Large Interferometer For Exoplanets (LIFE) in thermal emission. We also compute the list of known exoplanets accessible to a notional design of the Habitable Worlds Observatory (HWO), observing in reflected starlight. With a pre-existing method, we processed the NASA Exoplanet Archive and computed orbital realizations for each known exoplanet. We derived their mass, radius, equilibrium temperature, and planet-star angular separation. We used the LIFEsim simulator to compute the integration time ($t_{int}$) required to detect each planet with LIFE. A planet is considered detectable if a broadband signal-to-noise ratio $S/N$=7 is achieved over the spectral range $4-18.5μ$m in $t_{int}\leq$100 hours. We tested whether the planet is accessible to HWO in reflected starlight based on its notional inner and outer working angles, and minimum planet-to-star contrast. LIFE's reference configuration (four 2-m telescopes with 5% throughput and a nulling baseline between 10-100 m) can detect 212 known planets within 20 pc. Of these, 55 are also accessible to HWO in reflected starlight, offering a unique opportunity for synergies in atmospheric characterization. LIFE can also detect 32 known transiting exoplanets. Furthermore, 38 LIFE-detectable planets orbit in the habitable zone, of which 13 with $M_p&lt;5M_\oplus$ and 8 with $5M_\oplus

研究动机与目标

• 确定目前通过中红外大型系外行星干涉仪（LIFE）在热辐射波段可探测到的已知系外行星。
• 评估这些系外行星中有多少也可通过设想中的宜居世界观测台（HWO）在反射星光波段探测到。
• 评估LIFE与未来红外/光学/紫外成像任务之间协同大气表征的潜力。
• 量化LIFE可探测的宜居带系外行星数量，特别是低质量行星（Mp < 10M⊕）。
• 提供基于目录的、统计上可靠的下一代直接成像任务目标可用性评估。

提出的方法

• 处理了NASA系外行星档案，为所有已知系外行星生成轨道模拟。
• 计算关键行星参数：质量、半径、平衡温度以及行星-恒星角间距。
• 使用LIFEsim模拟器计算在4–18.5 µm波段内，以信噪比S/N ≥ 7在≤100小时内完成探测所需的积分时间（tint）。
• 将可探测性定义为：在100小时内，使用参考LIFE配置（四台2米望远镜、5%透过率、10–100米消光基线）实现S/N = 7。
• 基于设想的内、外工作角和最小行星-恒星亮度对比度，评估HWO的可访问性。
• 按质量、宜居带状态及凌星可探测性对可探测行星进行分类。

实验结果

研究问题

• RQ1 在20秒差距内，有多少目前已知的系外行星可通过LIFE在热辐射波段以S/N ≥ 7在≤100小时内被探测到？
• RQ2 这些由LIFE探测到的系外行星中，有多少也可通过未来的宜居世界观测台（HWO）在反射星光波段探测到？
• RQ3 在可探测的系外行星中，有多少位于宜居带内？其中低质量超级类地行星（Mp < 5M⊕）和亚海王星（5M⊕ < Mp < 10M⊕）所占比例是多少？
• RQ4 LIFE可探测到多少凌星系外行星？它们如何促进多任务联合表征？
• RQ5 LIFE与HWO在温和型、低质量系外行星上的协同大气表征潜力如何？

主要发现

• LIFE的参考配置可在≤100小时内对212颗20秒差距内的已知系外行星实现S/N ≥ 7的宽带探测。
• 在这些212颗可探测行星中，有55颗同样可通过设想中的HWO在反射星光波段探测到，从而实现联合大气表征。
• LIFE可探测到32颗已知的凌星系外行星，为多波段后续观测提供了机会。
• 在212颗可探测行星中，有38颗位于宜居带内，其中包括13颗质量低于5M⊕的行星和8颗质量介于5M⊕与10M⊕之间的行星。
• 样本中包含13颗类地型超级类地行星（Mp < 5M⊕）位于宜居带内，是生命-行星宜居性研究的优先目标。
• 结果表明，LIFE已具备足够数量的高优先级目标，可推动对低质量、温和型系外行星的开创性研究。