[论文解读] Sparse aperture masking at the VLT I. Faint companion detection limits for the two debris disk stars HD 92945 and HD 141569

S. Lacour, Peter Tuthill+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2011

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 29被引用 57

一句话总结

本研究利用甚大望远镜（VLT）的NaCo仪器进行稀疏孔径掩模（SAM）观测，针对两颗年轻的碎片盘恒星HD 92945和HD 141569设定了高对比度的暗淡伴星探测极限。分别实现了ΔL′ = 6.5和5.8 mag的5σ检测极限，将任何未探测到的伴星质量限制在1.5和7 au分离处低于18和22木星质量，证明SAM在衍射极限附近探测类行星质量天体方面具有竞争力。

ABSTRACT

Observational data on companion statistics around young stellar systems is needed to flesh out the formation pathways for extrasolar planets and brown dwarfs. Aperture masking is a new technique that is able to address an important part of this discovery space. We observed the two debris disk systems HD 92945 and HD 141569 with sparse aperture masking (SAM), a new mode offered on the NaCo instrument at the VLT. A search for faint companions was performed using a detection strategy based on the analysis of closure phases recovered from interferograms recorded on the Conica camera. Our results demonstrate that SAM is a very competitive mode in the field of companion detection. We obtained 5 sigma high-contrast detection limits at lambda/D of 2.5x10^{-3} (ΔL' = 6.5) for HD 92945 and 4.6x10^{-3} (ΔL' = 5.8) for HD 141569. According to brown dwarf evolutionary models, our data impose an upper mass boundary for any companion for the two stars to, respectively, 18 and 22 Jupiter masses at minimum separations of 1.5 and 7 AU. The detection limits is mostly independent of angular separation, until reaching the diffraction limit of the telescope. We have placed upper limits on the existence of companions to our target systems that fall close to the planetary mass regime. This demonstrates the potential for SAM mode to contribute to studies of faint companions. We furthermore show that the final dynamic range obtained is directly proportional to the error on the closure phase measurement. At the present performance levels of 0.28 degree closure phase error, SAM is among the most competitive techniques for recovering companions at scales of one to several times the diffraction limit of the telescope. Further improvements to the detection threshold can be expected with more accurate phase calibration.

研究动机与目标

• 利用高对比度成像技术探测碎片盘内区的亚恒星伴星。
• 评估稀疏孔径掩模（SAM）在甚大望远镜衍射极限附近探测暗淡伴星的可行性。
• 针对已知拥有碎片盘的两颗年轻恒星HD 92945和HD 141569，在L′波段建立5σ检测极限。
• 利用演化模型将这些对比度极限转换为潜在伴星质量的上限。
• 评估SAM的动态范围性能及其对闭合相位测量误差的依赖性。

提出的方法

• 使用甚大望远镜（VLT）上的NaCo仪器实施稀疏孔径掩模（SAM），采用7孔孔径掩模以采样干涉基线。
• 利用Conica相机记录干涉图样，并分析闭合相位以检测由非光子噪声引起的不对称性，此类不对称性可指示伴星的存在。
• 检测极限基于闭合相位偏差的统计显著性推导得出，假设5σ阈值。
• 将动态范围量化为角距离的函数，并以衍射极限（λ/D）为基准评估性能。
• 利用K波段校准星（HD 92933和BD-03 3826）将对比度极限转换为绝对星等，同时校正相对通量和消光。
• 利用DUSTY演化模型估算伴星质量极限，将模型响应卷积NaCo滤波器响应函数，基于假设的距离和L′星等。

实验结果

研究问题

• RQ1 稀疏孔径掩模（SAM）在接近甚大望远镜衍射极限的角距离上，对具有碎片盘的年轻恒星周围暗淡伴星的敏感度如何？
• RQ2 在甚大望远镜上使用SAM技术，HD 92945和HD 141569在L′波段的5σ检测极限是多少？
• RQ3 在1.5和7 au的分离距离上，这些检测极限将潜在的亚恒星伴星质量限制在什么水平？
• RQ4 SAM的动态范围如何依赖于闭合相位测量的精度？
• RQ5 与差分成像等其他高对比度成像技术相比，SAM在内工作角和动态范围方面的性能如何？

主要发现

• HD 92945的5σ检测极限为ΔL′ = 6.5 mag，对应分离距离1.5 au（λ/D ≈ 2.5×10⁻³），对应最大伴星质量为18木星质量。
• 对于HD 141569，5σ检测极限为ΔL′ = 5.8 mag，对应分离距离7 au（λ/D ≈ 4.6×10⁻³），对应最大伴星质量为22木星质量。
• 在接近衍射极限之前，检测极限在视场内几乎保持均匀，但在λ/D与0.5λ/D之间恶化约两倍。
• 最终动态范围与闭合相位测量误差的倒数成正比，当前误差为0.28°，表明SAM具有高度竞争力。
• 本研究证实，SAM能够探测邻近年轻系统中数个天文单位距离内的类行星质量区域，这一区域对理解行星形成路径至关重要。
• 结果与假设闭合相位误差为0.2°和0.4°的蒙特卡洛模拟一致，验证了所用统计方法的有效性。