[论文解读] Measurement of the Free-Floating Planet Mass Function with Simultaneous Euclid and WFIRST Microlensing Parallax Observations

Matthew T. Penny, E. Bachelet+18 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2019

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 2被引用 6

一句话总结

本文提出利用欧几勒布（Euclid）和韦伯（WFIRST）空间望远镜的同步微引力透镜观测，通过微引力透镜视差测量自由漂浮及宽轨道系外行星的质量。借助两台望远镜之间0.01 AU的基线，该方法可实现对WFIRST单独探测不到的行星的精确质量测定，显著改善对行星系统演化及抛射过程的理解。

ABSTRACT

Free-floating planets are the remnants of violent dynamical rearrangements of planetary systems. It is possible that even our own solar system ejected a large planet early in its evolution. WFIRST will have the ability to detect free-floating planets over a wide range of masses, but it will not be able to directly measure their masses. Microlensing parallax observations can be used to measure the masses of isolated objects, including free-floating planets, by observing their microlensing events from two locations. The intra-L2 separation between WFIRST and Euclid is large enough to enable microlensing parallax measurements, especially given the exquisite photometric precision that both spacecraft are capable of over wide fields. In this white paper we describe how a modest investment of observing time could yield hundreds of parallax measurements for WFIRST's bound and free-floating planets. We also describe how a short observing campaign of precursor observations by Euclid can improve WFIRST's bound planet and host star mass measurements.

研究动机与目标

• 测量自由漂浮及宽轨道行星的质量函数，这对于理解行星系统的动力学演化与抛射过程至关重要。
• 通过第二台望远镜的视差测量，克服WFIRST微引力透镜数据中的质量-距离混淆问题。
• 证明即使欧几勒布观测时间投入较少，也能为WFIRST探测到的束缚与自由漂浮行星提供数百次质量测量。
• 通过欧几勒布对微引力透镜场的预观测，提升WFIRST对束缚行星的质量测量精度。
• 利用不同仪器、探测器和波段的观测结果对WFIRST的质量测量进行交叉验证，降低系统误差风险。

提出的方法

• 利用位于L2点的WFIRST与欧几勒布之间的0.01 AU基线，测量微引力透镜视差（πE），以打破微引力透镜光变曲线参数中的混淆。
• 应用微引力透镜视差公式 πE ≈ (基线) / (1 AU) × (1 / θE)，估算视差效应对光变曲线的影响。
• 同时从两台望远镜观测微引力透镜事件，检测因视差导致的光变曲线形状差异，尤其针对自由漂浮行星引起的短时标事件（<1天）。
• 利用欧几勒布的高时间分辨率VIS观测，解决低质量行星与双星源事件之间的模糊性。
• 在WFIRST发射前最多三年，使用欧几勒布的VIS仪器对WFIRST微引力透镜场进行预观测，以延长透镜-源分离测量的基线。
• 利用欧几勒布的宽视场（接近WFIRST的两倍）以及相似的PSF和像素尺度，优化观测场选择，确保对WFIRST数据的高保真度交叉验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 欧几勒布与WFIRST的同步观测能否实现对自由漂浮行星的微引力透镜视差测量？
• RQ2 使用该视差技术，WFIRST探测到的自由漂浮及束缚行星中，有多少比例可实现质量测量？
• RQ3 欧几勒布对WFIRST微引力透镜场的预观测如何改善束缚行星的质量测量并减少系统误差？
• RQ4 欧几勒布实现对WFIRST行星探测结果具有统计显著性的视差测量，所需的最短观测时间是多少？
• RQ5 欧几勒布的观测在多大程度上可作为使用不同仪器和波段对WFIRST质量测量结果的交叉验证？

主要发现

• 24小时的欧几勒布观测可对W146 = 23.7的源实现信噪比25–50，足以实现高精度测光。
• 96小时的巡天观测可使信噪比达到50–100，从而实现对微引力透镜事件的稳健探测与表征。
• 通过120天的同步观测，欧几勒布可为约70颗自由漂浮行星和300多颗束缚行星提供视差测量。
• 即使仅进行1天的高时间分辨率观测，也能捕获WFIRST短时标事件的大部分或全部行星信号，探测到约3颗束缚行星和约0.75颗自由漂浮行星。
• 对WFIRST场的预观测可使三分之一的WFIRST行星宿主的透镜-源分离测量基线翻倍，另三分之一的基线得以延长。
• 欧几勒布与WFIRST数据的联合使用，可为自由漂浮行星提供完整的质量与距离解算，而仅靠WFIRST单独观测则无法实现。