[论文解读] Performance of the VLT Planet Finder SPHERE I. Photometry and astrometry precision with IRDIS and IFS in laboratory

A. Zurlo, A. Vigan+27 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2014

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 60被引用 3

一句话总结

该论文利用注入合成系外行星的实验室数据，评估了SPHERE仪器IRDIS和IFS子系统在测光和天体测量方面的精度。结果表明，对于围绕β Pic的明亮10 M_Jup行星，IRDIS可实现约0.16等的测光误差和1.1毫角秒的天体测量误差；而IFS可实现每通道0.15等的测光精度和0.6毫角秒的天体测量误差，从而在不依赖角度差分成像（angular differential imaging）的前提下，实现对直接成像系外行星的高精度表征。

ABSTRACT

The new planet finder for the Very Large Telescope (VLT), the Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet REsearch (SPHERE), just had its first light in Paranal. A dedicated instrument for the direct detection of planets, SPHERE, is composed of a polametric camera in visible light, the Zurich IMager POLarimeter (ZIMPOL), and two near-infrared sub-systems: the Infra-Red Dual-beam Imager and Spectrograph (IRDIS), a multi-purpose camera for imaging, polarimetry, and long-slit spectroscopy, and the integral field spectrograph (IFS), an integral field spectrograph. We present the results obtained from the analysis of data taken during the laboratory integration and validation phase, after the injection of synthetic planets. Since no continuous field rotation could be performed in the laboratory, this analysis presents results obtained using reduction techniques that do not use the angular differential imaging (ADI) technique. To perform the simulations, we used the instrumental point spread function (PSF) and model spectra of L and T-type objects scaled in contrast with respect to the host star. We evaluated the expected error in astrometry and photometry as a function of the signal to noise of companions, after spectral differential imaging (SDI) reduction for IRDIS and spectral deconvolution (SD) or principal component analysis (PCA) data reductions for IFS. We deduced from our analysis, for example, that $β$Picb, a 12~Myr old planet of $\sim$10~\MJ and semi-major axis of 9--10 AU, would be detected with IRDIS with a photometric error of 0.16~mag and with a relative astrometric position error of 1.1~mas. With IFS, we could retrieve a spectrum with error bars of about 0.15~mag on each channel and astrometric relative position error of 0.6~mas. For a fainter object such as HR8799d, a 13~\MJ planet at a distance of 27~AU, IRDIS could obtain a relative astrometric error of 3~mas.

研究动机与目标

• 在受控的实验室环境中评估SPHERE的IRDIS和IFS的测光与天体测量性能。
• 量化使用光谱差分成像（SDI）和光谱去卷积（SD）/主成分分析（PCA）技术时，直接成像系外行星在测光、天体测量和光谱方面的预期误差。
• 评估该仪器在大距离分离处探测并表征年轻、自发光系外行星的能力。
• 为未来的实际观测提供基准误差估计，特别是针对β Pic b和HR 8799 d等目标。
• 通过高精度天体测量支持排除假阳性信号，并改善轨道参数的确定。

提出的方法

• 将已知对比度和分离度的合成系外行星注入IRDIS和IFS的原始实验室数据中。
• 利用仪器点扩散函数（PSFs）和L型与T型天体的模型光谱来模拟伴星信号。
• 在对IRDIS应用SDI降噪、对IFS应用SD或PCA降噪后，计算测光与天体测量误差随信噪比（S/N）的变化关系。
• 由于实验室中缺乏视场旋转，排除了角度差分成像（ADI）的影响，重点聚焦于SDI和基于PCA的技术。
• 构建了测光与天体测量的误差预算，包括校准不确定性与仪器噪声的贡献。
• 通过与VLT/NACO等现有仪器对比，使用β Pic b和HR 8799 d等类似目标对性能进行基准测试。

实验结果

研究问题

• RQ1 在实验室条件下，SPHERE的IRDIS和IFS对直接成像系外行星的预期测光精度是多少？
• RQ2 在不同信噪比下，使用SDI和基于PCA的数据降噪技术，伴星的可实现天体测量精度如何？
• RQ3 与先前仪器如VLT/NACO相比，SPHERE在β Pic b上的测光与天体测量误差有何差异？
• RQ4 SPHERE的IFS在每个光谱通道上能实现多高的光谱保真度，且误差条多小？
• RQ5 校准不确定性与仪器限制如何影响测光与天体测量中可达到的最小误差？

主要发现

• 对于β Pic b（12 Myr，约10 M_Jup，9–10 AU），IRDIS实现0.16等的测光误差和1.1毫角秒的相对天体测量位置误差。
• 使用IFS时，仪器对同一目标实现每通道约0.15等的光谱误差条和0.6毫角秒的相对天体测量误差。
• 对于更暗的HR 8799d（13 M_Jup，27 AU），IRDIS实现3毫角秒的相对天体测量误差，显著优于NACO的13毫角秒。
• β Pic b的0.16等测光误差对应于使用COND或DUSTY模型时约0.5 M_Jup的质量不确定性，或使用核心吸积模型时1–2 M_Jup的质量不确定性。
• 高精度天体测量（亚毫角秒量级）可实现对共动伴星的可靠检测，并有助于在短基线上将真实行星与背景恒星区分开。
• 结果表明，当结合角度差分成像（ADI），特别是使用KLIP降噪技术时，SPHERE在实际观测中的性能将显著提升，原因在于信号缺失库条件的改善。