Спектрополяриметрическое высококонтрастное исследование экзопланет

СФЕРА (черный контейнер и серебряный цилиндр), прикрепленная к телескопу с помощью дополнительной платформы

Спектрополяриметрическое высококонтрастное исследование экзопланет ( VLT-SPHERE ) — это адаптивная оптическая система и коронографическая установка на Очень Большом Телескопе (VLT). ^[1] Она обеспечивает прямую визуализацию, а также спектроскопическую и поляриметрическую характеристику экзопланетных систем. Инструмент работает в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах, достигая превосходного качества изображения и контраста в небольшом поле зрения вокруг ярких целей. ^[2]

Результаты SPHERE дополняют результаты других проектов по поиску планет, включая HARPS , CoRoT и миссию Kepler . ^[1] Инструмент был установлен на телескопе Unit Telescope "Melipal" (UT3) и впервые увидел свет в мае 2014 года. На момент установки он был последним из серии инструментов VLT второго поколения, таких как X-shooter , KMOS и MUSE . ^[3]

Научные цели

Звезда HR 7581 ( Iota Sgr ) наблюдалась в режиме обзора SPHERE. Была обнаружена очень маломассивная звезда, более чем в 4000 раз слабее своей родительской звезды, вращающаяся вокруг Iota Sgr на крошечном расстоянии в 0,24". Сама яркая звезда была почти полностью подавлена ​​SPHERE, чтобы позволить слабому компаньону выглядеть как четкое яркое пятно в правом верхнем углу центра.

Прямая съемка экзопланет — чрезвычайно сложная задача:

1. Контраст яркости между планетой и ее звездой обычно составляет от 10−6 ^для горячих молодых гигантских планет, излучающих значительное количество ближнего инфракрасного света, до 10−9 ^для каменистых планет, наблюдаемых исключительно в отраженном свете.
2. Угловое расстояние между планетой и ее звездой-хозяином очень мало. Для планеты, удаленной на ~10 а.е. от ее хозяина и на десятки парсеков, расстояние составит всего несколько десятых секунды дуги. ^[4]

SPHERE является представителем второго поколения инструментов, предназначенных для прямой высококонтрастной визуализации экзопланет. Эти инструменты сочетают в себе экстремальную адаптивную оптику с высокоэффективными коронографами для коррекции атмосферной турбулентности при высокой частоте и ослабления бликов от звезды-хозяина. Кроме того, SPHERE использует дифференциальную визуализацию для использования различий между планетарным и звездным светом с точки зрения его цвета или поляризации. ^[5] Другие высококонтрастные системы визуализации, которые находятся в эксплуатации, включают Project 1640 в Паломарской обсерватории и Gemini Planet Imager на телескопе Gemini South . ^[4] Большой бинокулярный телескоп , оснащенный менее продвинутой адаптивной оптической системой, успешно визуализировал множество экзопланет. ^[6]

SPHERE нацелен на прямое обнаружение планет размером с Юпитер и более крупных, отделенных от своих родительских звезд расстоянием в 5 а.е. или более. Обнаружение и характеристика большого количества таких планет должны дать представление о планетарной миграции , гипотетическом процессе, посредством которого горячие юпитеры , которые, как показывает теория, не могли образоваться так близко к своим родительским звездам, как они обнаружены, мигрируют внутрь от того места, где они образовались в протопланетном диске . ^[7] Также предполагается, что массивных далеких планет должно быть много; результаты SPHERE должны прояснить, в какой степени наблюдаемое в настоящее время преобладание близко вращающихся горячих юпитеров представляет собой смещение наблюдений. Наблюдения SPHERE будут сосредоточены на следующих типах целей:

• близлежащие молодые звездные ассоциации, которые также могут предоставить возможности для обнаружения планет малой массы;
• звезды с известными планетами, в частности те, у которых в регрессионном анализе кривых их лучевых скоростей появляются долгосрочные остатки , которые могут указывать на присутствие более далеких спутников;
• ближайшие звезды, что позволит обнаруживать цели с наименьшими орбитами, в том числе и те, которые светятся только отраженным светом;
• Звезды с возрастом в диапазоне от 100 млн лет до 1 млрд лет. В этих молодых системах даже меньшие планеты будут все еще горячими и обильно излучать в инфракрасном диапазоне, что позволит обнаружить более низкие массы.
• Высококонтрастные возможности SPHERE также должны позволить использовать его для изучения протопланетных дисков, коричневых карликов , эволюционировавших массивных звезд и, в меньшей степени, для исследований Солнечной системы и внегалактических целей. ^[8]

Результаты SPHERE дополняют результаты проектов обнаружения, использующих другие методы обнаружения, такие как измерения лучевой скорости и фотометрические транзиты. Эти проекты включают HARPS , CoRoT и миссию Kepler . ^[8]

Описание инструмента

Прибор СФЕРА и схема его подсистем

SPHERE установлена ​​на телескопе VLT Unit Telescope 3 ESO в фокусе Нэсмита. Она включает в себя следующие подсистемы:

• Common Path and Infrastructure (CPI) — это основная оптическая скамья. Она получает прямой свет от телескопа и передает стабилизированные, скорректированные адаптивной оптикой и отфильтрованные коронографом лучи трем подинструментам. Одним из ее основных компонентов является адаптивная оптическая система SAXO, которая корректирует атмосферную турбулентность 1380 раз в секунду. ^[1]
• Интегральный полевой спектрограф ( IFS ) охватывает поле зрения размером 1,73" x 1,73", преобразуя спектральные данные в трехмерный (x, y, λ) куб данных.
• Инфракрасный двухдиапазонный тепловизор и спектрограф ( IRDIS ) имеет поле зрения 11" x 12,5" с пиксельным масштабом 12,25 мсек (миллисекунд дуги). IRDIS может обеспечивать классическую визуализацию. В качестве альтернативы его можно настроить для обеспечения одновременной двухдиапазонной визуализации с использованием двух различных узкополосных фильтров, ориентированных на различные спектральные характеристики, или его можно настроить для обеспечения одновременной визуализации с двух скрещенных поляризаторов. При работе в режиме спектроскопии с длинной щелью (LSS) коронографическая щель заменяет маску коронографа.
• Zurich Imaging Polarimeter (ZIMPOL) — это высококонтрастный поляриметр, работающий на визуальных и инфракрасных длинах волн, способный достигать разрешения <30 мсек. Он также способен на классическую визуализацию с дифракционным ограничением. ^[9]

Результаты науки

На этом инфракрасном снимке показано пылевое кольцо вокруг близлежащей звезды HR 4796A в южном созвездии Центавра. Это одно из первых изображений, полученных инструментом SPHERE вскоре после его установки на Очень Большом Телескопе ESO в мае 2014 года. На нем не только с большой четкостью показано само кольцо, но и показана способность SPHERE уменьшать блики от очень яркой звезды — ключ к поиску и изучению экзопланет в будущем.

Первые результаты подтвердили эффективность инструмента SPHERE, а также представили результаты, которые бросают вызов существующей теории.

• SPHERE объявила о своей первой планете, HD 131399Ab, в 2016 году, но другое исследование показало, что на самом деле это была фоновая звезда. ^[10] Наконец, в июле 2017 года консорциум SPHERE объявил об обнаружении планеты, HIP 65426 b , вокруг HIP 65426. ^{[11] [12]} Планета, по-видимому, имеет очень пыльную атмосферу, заполненную густым облаком, и вращается вокруг горячей молодой звезды, которая вращается на удивление быстро.
• SPHERE использовался для поиска коричневого карлика, который, как ожидалось, вращался вокруг затменной двойной звезды V471 Tauri . Тщательные измерения времени затмений показали, что они не были регулярными, но эти нерегулярности можно было объяснить, предположив, что был коричневый карлик, возмущенный орбитами звезд. Удивительно, но хотя гипотетический коричневый карлик должен был быть легко разрешен SPHERE, такой компаньон не был изображен. Похоже, что традиционное объяснение странного поведения V471 Tauri неверно. Было предложено несколько альтернативных объяснений изменений времени орбитального движения, включая, например, возможность того, что эффекты могут быть вызваны изменениями магнитного поля в первичном члене двойной пары, приводящими к регулярным изменениям формы звезды через механизм Эпплгейта . ^{[13] [14]}
• Еще одним ранним результатом SPHERE является первое изображение спирального протопланетного диска в HD 100453. ^[15] Глобальный спиральный узор — редкое явление в околозвездных дисках, которое, вероятно, вызвано гравитационным притяжением массивного тела, вращающегося вокруг звезды, например, другой звезды или гигантской планеты. Этот диск — первый, на котором был изображен возмущающий компаньон, что является проверкой теорий образования спиральных рукавов. Изображения также показывают зазор, простирающийся от края коронографической маски примерно до расстояния орбиты Урана в нашей собственной солнечной системе.
• SPHERE был использован для получения первого подтвержденного изображения новорожденной планеты в публикации в июне 2018 года. Молодая планета PDS 70b была замечена формирующейся в протопланетном диске вокруг звезды PDS 70. [ ^16]
• В июле 2020 года SPHERE напрямую сфотографировал два газовых гиганта на орбите вокруг звезды TYC 8998-760-1 . ^[17]

Улучшения производительности

Было предложено несколько проектов для улучшения характеристик прибора СФЕРА:

• HiRISE ^[18] (высокоразрешающая визуализация и спектроскопия экзопланет) уже используется в качестве гостевого инструмента с июля 2023 года. ^[19] Он объединяет SPHERE с модернизированным спектрографом высокого разрешения CRIRES, использующим оптические волокна , для улучшения характеристик экзопланет, обнаруженных SPHERE.
• Проект SPHERE+ ^[20] направлен на модернизацию адаптивной оптической системы SAXO SPHERE и получение IFS среднего разрешения. Главными научными целями являются обнаружение молодых гигантских планет на близком расстоянии от рожденных звезд и вокруг более слабых звезд и их более подробная спектральная характеристика. Этот проект в настоящее время находится в стадии активной разработки с текущим проектным исследованием.
• Более исследовательская концепция, предложенная в 2017 году, заключалась в объединении SPHERE со спектрографом ESPRESSO в видимом диапазоне для попытки обнаружения планеты Проксима Центавра b в отраженном свете. ^[21] От этой концепции отказались в пользу специального инструмента под названием RISTRETTO, который будет установлен в качестве гостевого инструмента на VLT.

Ссылки

1. Beuzit, J. -L.; Vigan, A.; Mouillet, D.; Dohlen, K.; Gratton, R.; et al. (2019). "SPHERE: экзопланетный визуализатор для Очень Большого Телескопа". Астрономия и астрофизика . 631 : A155. arXiv : 1902.04080 . Bibcode : 2019A&A...631A.155B. doi : 10.1051/0004-6361/201935251.
2. "Обзор SPHERE". Европейская южная обсерватория . Получено 23 мая 2015 г.
3. "Первый свет для SPHERE Exoplanet Imager". ESO . 4 июня 2014 г.
4. Меса, Д.; Граттон, Р.; Зурло, А.; Виган, А.; Клауди, RU; Альбери, М.; Античи, Дж.; Баруффоло, А.; Бёзит, Ж.-Л.; Боккалетти, А.; Боннефой, М.; Костиль, А.; Дезидера, С.; Долен, К.; Фантинель, Д.; Фельдт, М.; Фуско, Т.; Джиро, Э.; Хеннинг, Т.; Каспер, М.; Ланглуа, М.; Мэр, А.-Л.; Мартинес, П.; Мёллер-Нильссон, О.; Муйе, Д.; Муту, К.; Павлов А.; Пьюджет, П.; Саласнич, Б.; и др. (2015). «Работа VLT Planet Finder SPHERE». Астрономия и астрофизика . 576 : A121. arXiv : 1503.02486 . Bibcode : 2015A&A...576A.121M. doi : 10.1051/0004-6361/201423910. S2CID  44011290.
5. "First Light for SPHERE Exoplanet Imager". Европейская южная обсерватория . Получено 24 мая 2015 г.
6. Эспозито, С.; Меса, Д.; Скемер, А.; Арчидиаконо, К.; Клауди, RU; Дезидера, С.; Граттон, Р.; Маннуччи, Ф.; Марзари, Ф.; Маскиадри, Э.; Клоуз, Л.; Хинц, П.; Кулеса, К.; Маккарти, Д.; Самец, Дж.; Агапито, Г.; Аргомедо, Дж.; Буция, К.; Бригульо, Р.; Бруса, Г.; Бузони, Л.; Креши, Г.; Фини, Л.; Фонтана, А.; Герра, JC; Хилл, Дж. М.; Миллер, Д.; Пэрис, Д.; Пинна, Э.; и др. (2012). «LBT-наблюдения планетной системы HR 8799». Астрономия и астрофизика . 549 : А52. arXiv : 1203.2735 . Бибкод : 2013A&A...549A..52E. дои : 10.1051/0004-6361/201219212. S2CID  118684277.
7. D'Angelo, G.; Lubow, SH (2008). «Эволюция мигрирующих планет, подвергающихся аккреции газа». The Astrophysical Journal . 685 (1): 560–583. arXiv : 0806.1771 . Bibcode : 2008ApJ...685..560D. doi : 10.1086/590904. S2CID  84978.
8. Beuzit, Jean-Luc; et al. "SPHERE: a 'Planet Finder' Instrument for the VLT" (PDF) . Европейская южная обсерватория . Получено 24 мая 2015 г. .
9. "SPHERE - Описание инструмента". Европейская южная обсерватория . Получено 24 мая 2015 г.
10. Нильсен, Эрик Л.; Роза, Роберт Дж. Де; Рамо, Жюльен; Ванг, Джейсон Дж.; Эспозито, Томас М.; Миллар-Бланшер, Максвелл А.; Маруа, Кристиан; Виган, Артур; Аммонс, С. Марк (2017). «Доказательства того, что непосредственно полученная планета HD 131399 Ab является фоновой звездой». The Astronomical Journal . 154 (6): 218. arXiv : 1705.06851 . Bibcode :2017AJ....154..218N. doi : 10.3847/1538-3881/aa8a69 . hdl :10150/626174. ISSN  1538-3881. S2CID  55138870.
11. "ESO's SPHERE представляет свою первую экзопланету". www.eso.org . Получено 2017-12-06 .
12. Шовен, Г.; Дезидера, С.; Лагранж, А.-М.; Виган, А.; Граттон, Р.; Ланглуа, М.; Бонфуа, М.; Бёзит, Ж.-Л.; Фельдт, М. (2017-09-01). "Открытие теплой, пыльной гигантской планеты вокруг HIP 65426". Астрономия и астрофизика . 605 : L9. arXiv : 1707.01413 . Bibcode : 2017A&A...605L...9C. doi : 10.1051/0004-6361/201731152. ISSN  0004-6361. S2CID  102344893.
13. "Странный случай пропавшего карлика". Европейская южная обсерватория . Получено 24 мая 2015 г.
14. Харди, А.; Шрайбер, М. Р.; Парсонс, С. Г.; Касерес, К.; Ретамалес, Г.; Вахадж, З.; Мавет, Д.; Кановас, Х.; Сьеза, Л. (2015-02-01). "Первые научные результаты сферы: опровержение предсказанного коричневого карлика вокруг V471 Tau". The Astrophysical Journal Letters . 800 (2): L24. arXiv : 1502.05116 . Bibcode : 2015ApJ...800L..24H. doi : 10.1088/2041-8205/800/2/L24. ISSN  0004-637X. S2CID  28294501.
15. Вагнер, К.; Апай, Д.; Каспер, М.; Робберто, М. (2015-10-22). «Открытие двухрукавной спиральной структуры в зазорном диске вокруг звезды Хербига Ае HD 100453». Письма в Astrophysical Journal . 813 (1): L2. arXiv : 1510.02212 . Bibcode : 2015ApJ...813L...2W. doi : 10.1088/2041-8205/813/1/L2. S2CID  119235502.
16. Европейская южная обсерватория (2 июля 2018 г.). «Первое подтвержденное изображение новорожденной планеты, полученное с помощью ESO's VLT — спектр показывает облачную атмосферу». www.eso.org . Получено 6 июля 2018 г.
17. "Астрономы напрямую получили изображение двух гигантских экзопланет вокруг молодой звезды, похожей на Солнце | Астрономия | Sci-News.com". Последние научные новости | Sci-News.com . Получено 25.07.2020 .
18. Виган, А.; Эль Морси, М.; Лопес, М.; и др. (2024). «Первый свет VLT/HiRISE: спектроскопия высокого разрешения молодых гигантских экзопланет». Астрономия и астрофизика . 682 : A16. arXiv : 2309.12390 . Bibcode : 2024A&A...682A..16V. doi : 10.1051/0004-6361/202348019.
19. Centre National de la Recherche Scientifique (13 июля 2023 г.). «Первый свет HiRISE, инновационного инструмента, предназначенного для изучения экзопланет». www.cnrs.fr . Получено 13 июля 2023 г.
20. Боккалетти, А.; Шовен, Ж.; Муйе, Д.; и др. (2020). «SPHERE+: Визуализация молодых Юпитеров вплоть до линии снега». arXiv : 2003.05714 [astro-ph.EP].
21. Ловис, К.; Снеллен, И.; Муйе, Д.; и др. (2017). «Атмосферная характеристика Проксимы b путем соединения высококонтрастного формирователя изображений SPHERE со спектрографом ESPRESSO». Астрономия и астрофизика . 599 : A16. arXiv : 1609.03082 . Bibcode : 2017A&A...599A..16L. doi : 10.1051/0004-6361/201629682.

Внешние ссылки

• SPHERE - Спектрополяриметрическое высококонтрастное исследование экзопланет

24°37′39″ ю.ш. 70°24′16″ з.д. / 24,6274° ю.ш. 70,4044° з.д. / -24,6274; -70,4044