[论文解读] Planet Detection Simulations for Several Possible TESS Extended Missions

Luke G. Bouma, Joshua N. Winn+2 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 31

一句话总结

本文基于Sullivan等人（2015）的方法，采用蒙特卡洛模拟方法，对TESS扩展任务在第三年运行期间的六种潜在指向策略的系外行星探测产出进行了模拟。结果表明，系外行星探测率保持稳定，全天、两极及半圆+黄道策略在探测亚海王星和长周期行星方面产出最高，而重新观测先前覆盖区域可显著提升后续观测的轨道周期参数精度。

ABSTRACT

The Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) will perform a two-year survey of nearly the entire sky, with the main goal of detecting exoplanets smaller than Neptune around bright and nearby stars. There do not appear to be any fundamental obstacles to continuing science operations for at least several years after the two-year Primary Mission. To provide a head start to those who will plan and propose for such a mission, we present simulations of exoplanet detections in a third year of TESS operations. Our goal is to provide a helpful reference for the exoplanet-related aspects of any Extended Mission, while recognizing this will be only one part of a larger community discussion of the scientific goals. We use Monte Carlo simulations to try and anticipate the quantities and types of planets that would be detected in each of 6 plausible scenarios for a one-year Extended Mission following the two-year Primary Mission. We find that: (1) there is no sharp fall-off in the planet discovery rate in the third year; (2) the quantity of newly detected sub-Neptune radius planets does not depend strongly on the schedule of pointings; (3) an important function of an Extended Mission would be improving our ability to predict the times of future transits and occultations of TESS-detected planets.

研究动机与目标

• 评估TESS扩展任务中多种指向策略在主两年巡天之外的系外行星探测潜力。
• 评估不同天区扫描方案对可探测系外行星数量和类型（特别是亚海王星和长周期行星）的影响。
• 探究重新观测先前已观测区域是否能提升未来后续观测中行星轨道周期参数的精度。
• 为任务规划者及天文界提供扩展TESS任务运行的定量参考依据。

提出的方法

• 基于Sullivan等人（2015）的方法，开展蒙特卡洛模拟，以建模不同指向策略下的TESS观测与系外行星探测。
• 将‘被探测到的行星’定义为至少有两次凌星且相位折叠信噪比（SNR）> 7.3的天体，重点关注半径小于4R⊕的行星。
• 采用包含太阳、月球和地球散射光影响的噪声模型，通过抑制函数引入角度依赖性，并考虑点扩散函数（PSF）效应。
• 假设所有恒星均位于TESS CCD的中心位置，以避免PSF退化带来的偏差，简化多轮观测下的信噪比估算。
• 基于恒星视星等和天区角度的通量模型计算信噪比，考虑泊松噪声并积分曝光时间。
• 对比六种场景：半圆（hemi）、两极（pole）、半圆+黄道（hemi+ecl）、长黄道（ecl_long）、短黄道（ecl_short）和全天空（allsky），每种策略具有不同的天区覆盖范围和视场朝向。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同TESS扩展任务指向策略下，半径Rp < 4R⊕的新系外行星数量如何变化？
• RQ2 重新观测先前已观测区域对长周期行星探测及轨道周期参数精度有何影响？
• RQ3 哪种指向策略能最大化探测亚海王星级别行星（Rp ≤ 4R⊕）及接近日地类恒星照射水平（0.2 < S/S⊕ < 2）的行星？
• RQ4 不同策略在探测极亮宿主恒星（I_c < 10）周围行星方面表现如何？
• RQ5 选择何种指向策略会显著影响需三次凌星才能可靠识别的行星的探测率？

主要发现

• 所有六种场景中新探测到的半径Rp < 4R⊕的系外行星数量变化小于30%，表明探测产出对指向策略的敏感度较低。
• 全天空（allsky）、两极（pole）和半圆+黄道（hemi+ecl）策略探测到的新亚海王星行星数量最多，约为1350–1400颗，高于主任务年均约1250颗的水平。
• 重新观测先前覆盖区域（如hemi、hemi+ecl、allsky）能显著提升行星轨道周期参数的精度，降低未来凌星预测的不确定性。
• 对于轨道周期大于20天的行星，若仅需两次凌星即可确认，则全天空和两极策略探测到的行星数量约为主任务的两倍；但若需三次凌星才能确认，则两极策略探测到约260颗，其他策略约160颗。
• 全天空（allsky）、半圆+黄道（hemi+ecl）和短黄道（ecl_short）策略探测到约190颗围绕I_c < 10恒星的新行星，与主任务的产出相当。
• 所有策略均探测到约120颗接近日地类照射水平（0.2 < S/S⊕ < 2）的新行星，略高于主任务年均约105颗的水平。