[论文解读] The Perkins INfrared Exosatellite Survey (PINES) I. Survey Overview, Reduction Pipeline, and Early Results

Patrick Tamburo, Philip S. Muirhead+10 more|arXiv (Cornell University)|Jan 5, 2022

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 106被引用 19

一句话总结

珀金斯红外外行星探测卫星巡天（PINES）利用1.8米珀金斯望远镜开展近红外测光巡天，旨在探测393颗L型和T型棕矮星周围的短周期凌星系系外行星及卫星。该巡天采用定制化数据处理流水线（PAT）与导星系统，实现足够高的测光精度，可探测半径小至2.5 R⊕的行星，成功恢复已知凌星信号，并发现一颗新的L/T过渡态变星棕矮星——WISE J045746.08−020719.2。

ABSTRACT

We describe the Perkins INfrared Exosatellite Survey (PINES), a near-infrared photometric search for short-period transiting planets and moons around a sample of 393 spectroscopically confirmed L- and T-type dwarfs. PINES is performed with Boston University's 1.8 m Perkins Telescope Observatory, located on Anderson Mesa, Arizona. We discuss the observational strategy of the survey, which was designed to optimize the number of expected transit detections, and describe custom automated observing procedures for performing PINES observations. We detail the steps of the $ exttt{PINES Analysis Toolkit}$ ($ exttt{PAT}$), software that is used to create light curves from PINES images. We assess the impact of second-order extinction due to changing precipitable water vapor on our observations and find that the magnitude of this effect is minimized in Mauna Kea Observatories $ extit{J}$-band. We demonstrate the validity of $ exttt{PAT}$ through the recovery of a transit of WASP-2 b and known variable brown dwarfs, and use it to identify a new variable L/T transition object: the T2 dwarf WISE J045746.08-020719.2. We report on the measured photometric precision of the survey and use it to estimate our transit detection sensitivity. We find that for our median brightness targets, assuming contributions from white noise only, we are sensitive to the detection of 2.5 $R_\oplus$ planets and larger. PINES will test whether the increase in sub-Neptune-sized planet occurrence with decreasing host mass continues into the L and T dwarf regime.

研究动机与目标

• 搜寻L型和T型棕矮星周围的短周期凌星系系外行星及卫星，这些天体在光学波段较暗，且在系外行星巡天中尚未被充分探索。
• 克服地面近红外观测中因大气消光和指向不稳定导致的观测挑战，尤其针对低温、暗弱的棕矮星。
• 开发并验证用于PINES数据的定制化测光流水线（PAT），以实现高精度光变曲线生成。
• 评估巡天对海王星级以下行星的敏感度，并检验行星发生率随宿主恒星质量降低而持续增加的假设。

提出的方法

• 利用位于安德森梅萨天文台的1.8米珀金斯望远镜，配合定制导星系统，实现面向凌星探测优化的循环观测。
• 采用PINES分析工具包（PAT），一种定制化测光流水线，执行坏像素识别、图像减影、质心定位及基于加权参考星通量的孔径测光。
• 基于迭代标准差最小化方法设计参考星加权方案，以提升光变曲线稳定性并抑制参考星的变异性。
• 分析由水汽可降水量（PWV）变化引起的二级大气消光效应，证明MKO J波段可将此类系统误差降至最低。
• 通过参考星通量的加权平均构建目标光变曲线，结合噪声建模以评估测光精度与凌星探测灵敏度。
• 通过恢复WASP-2 b的已知凌星信号并利用周期图分析识别变星，验证流水线的可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 PINES巡天在近红外波段的测光精度如何？与理论预期相比表现如何？
• RQ2 PINES分析工具包（PAT）能否可靠地恢复已知凌星信号，并探测L/T过渡区的变星棕矮星？
• RQ3 由水汽变化引起的消光效应在多大程度上影响测光测量？该效应是否在MKO J波段得到最小化？
• RQ4 PINES巡天对L型和T型棕矮星周围凌星行星的探测灵敏度如何，特别是在海王星级以下行星范围内？
• RQ5 是否存在可探测的短周期系外行星系统围绕极低质量宿主？这些系统是否遵循宿主质量越低、行星发生率越高的趋势？

主要发现

• PINES巡天在仅考虑白噪声贡献的前提下，对中等亮度目标的测光精度足以探测半径2.5 R⊕或更大的行星。
• 尽管定制导星系统的指向性能劣于望远镜内置的PTO自动导星系统，但其生成的光变曲线仅表现出略高的噪声，验证了其在巡天中的适用性。
• PINES分析工具包（PAT）成功恢复了WASP-2 b的凌星信号，并识别出已知的变星棕矮星，证实其在凌星探测中的可靠性。
• 发现一颗新的L/T过渡态变星棕矮星WISE J045746.08−020719.2，其周期为5.748 ± 0.011小时，变幅最高达6.5%。
• 通过可降水量变化引起的二级消光效应在MKO J波段中被最小化，使其成为本巡天测光稳定性的最优选择。
• 尽管因观测站点视宁度较差和通光率降低导致噪声高于预期，J波段的噪声模型仍证实PINES对几乎全部目标样本中的海王星级以下行星保持探测灵敏度。