[论文解读] Predictions of the Nancy Grace Roman Space Telescope Galactic Exoplanet Survey II: Free-Floating Planet Detection Rates

Samson A. Johnson, Matthew T. Penny+6 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Jun 18, 2020

Historical Astronomy and Related Studies被引用 4

一句话总结

本文预测，通过观测持续时间短至1.5小时的微引力透镜事件，尼古拉斯·格蕾斯·罗曼空间望远镜将利用微引力透镜法探测到约250个自由漂浮的系外行星质量天体（FFPs），其质量低至0.1地球质量（M⊕）。该巡天将使对FFP群体的上限限制相比当前约束至少提高一个数量级。

ABSTRACT

The Nancy Grace Roman Space Telescope (Roman) will perform a Galactic Exoplanet Survey (RGES) to discover bound exoplanets with semi-major axes greater than 1 au using gravitational microlensing. Roman will even be sensitive to planetary mass objects that are not gravitationally bound to any host star. Such free-floating planetary mass objects (FFPs) will be detected as isolated microlensing events with timescales shorter than a few days. A measurement of the abundance and mass function of FFPs is a powerful diagnostic of the formation and evolution of planetary systems, as well as the physics of the formation of isolated objects via direct collapse. We show that Roman will be sensitive to FFP lenses that have masses from that of Mars ($0.1 M_\oplus$) to gas giants ($M\gtrsim100M_\oplus$) as isolated lensing events with timescales from a few hours to several tens of days, respectively. We investigate the impact of the detection criteria on the survey, especially in the presence of finite-source effects for low-mass lenses. The number of detections will depend on the abundance of such FFPs as a function of mass, which is at present poorly constrained. Assuming that FFPs follow the fiducial mass function of cold, bound planets adapted from Cassan et al. (2012), we estimate that Roman will detect $\sim250$ FFPs with masses down to that of Mars (including $\sim 60$ with masses $\le M_\oplus$). We also predict that Roman will improve the upper limits on FFP populations by at least an order of magnitude compared to currently-existing constraints.

研究动机与目标

• 预测罗曼空间望远镜银河系系外行星巡天对自由漂浮行星质量天体（FFPs）的探测率。
• 评估该巡天对质量从火星（0.1 M⊕）到气态巨行星（≥100 M⊕）的FFPs通过微引力透镜法的敏感度。
• 量化检测标准（尤其是有限源效应）对低质量FFPs识别的影响。
• 估算与当前观测约束相比，罗曼望远镜观测对FFP群体上限限制的改进程度。
• 评估微引力透镜视 parallax 和角爱因斯坦半径测量在确定孤立FFPs质量方面的作用。

提出的方法

• 使用GULLS软件模拟罗曼银河系系外行星巡天的微引力透镜事件。
• 对质量范围为0.1 M⊕至≥100 M⊕、时间尺度为1.5小时至数天的FFPs微引力透镜光曲线进行建模。
• 引入有限源效应，以评估对低质量透镜的探测偏差，特别是对非巨星源恒星的影响。
• 利用源星通量、颜色与角半径（θ*）之间的经验关系，在结合视 parallax 测量结果时估算角爱因斯坦半径（θE）。
• 应用来自同时进行的地基与空间观测的微引力透镜视 parallax 测量，以打破歧义并确定透镜质量。
• 将Cassan等人（2012年）为束缚行星提出的基准质量函数适配用于估计FFP群体分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 罗曼空间望远镜银河系系外行星巡天预计能探测到多少自由漂浮行星质量天体（FFPs）？
• RQ2 该巡天对质量低至0.1 M⊕的FFPs有多敏感？探测所需的光变曲线时间尺度是多少？
• RQ3 有限源效应如何影响低质量FFPs的可探测性，特别是在源星非巨星的情况下？
• RQ4 来自罗曼望远镜与地基望远镜的微引力透镜视 parallax 测量能在多大程度上改善对孤立FFPs质量的估计？
• RQ5 与当前观测约束相比，罗曼望远镜的观测将如何提升对FFP丰度上限限制的精度？

主要发现

• 预计罗曼望远镜将探测到约250个自由漂浮行星质量天体（FFPs），其中约60个质量≤1 M⊕。
• 该巡天将探测到质量低至0.1 M⊕的FFPs，对应微引力透镜事件的时间尺度短至1.5小时。
• 有限源效应预计会影响低质量透镜的探测效率，尤其在源星非巨星时更为显著，因此需要针对非巨星恒星校准关系。
• 罗曼望远镜将使对FFP群体的上限限制相比现有约束至少提高一个数量级。
• 通过结合视 parallax 和有限源效应测量，可实现对FFPs质量的测定，从而确定角爱因斯坦半径和透镜质量。
• 该巡天将为恒星初始质量函数以及行星系统中行星动力学抛射机制提供关键洞见。