Спектро-поляриметрические высококонтрастные исследования экзопланет

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

Спектро-поляриметрическое высококонтрастное исследование экзопланет ( VLT-SPHERE ) — это система адаптивной оптики и коронографическая установка на Очень Большом Телескопе (VLT). ^[1] Он обеспечивает прямую визуализацию, а также спектроскопическую и поляриметрическую характеристику экзопланетных систем. Прибор работает в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне, обеспечивая превосходное качество изображения и контрастность в небольшом поле зрения вокруг ярких целей. ^[2]

Результаты SPHERE дополняют результаты других проектов по поиску планет, в том числе HARPS , CoRoT и миссии Kepler . ^[1] Прибор был установлен на телескопе «Мелипал» (UT3) и достиг первого света в мае 2014 года. На момент установки это был последний из серии VLT-инструментов второго поколения, таких как X-shooter , КМОС и МУЗА . ^[3]

Научные цели

Звезда HR 7581 ( Йота Sgr ) наблюдалась в режиме обзора СФЕРА. Звезда с очень малой массой, более чем в 4000 раз тусклее, чем ее родительская звезда, была обнаружена на орбите Йоты-Сгр на крошечном расстоянии 0,24 дюйма. Сама яркая звезда была почти полностью подавлена ​​СФЕРОЙ, чтобы позволить слабому компаньону выглядеть как ясное яркое пятно в правом верхнем углу центра.

Прямые изображения экзопланет чрезвычайно сложны:

1. Контраст яркости между планетой и ее родительской звездой обычно колеблется от 10 ⁻⁶ для горячих молодых планет-гигантов, излучающих значительное количество света в ближнем инфракрасном диапазоне, до 10 ⁻⁹ для скалистых планет, видимых исключительно в отраженном свете.
2. Угловое расстояние между планетой и ее родительской звездой очень мало. Для планеты, расположенной на расстоянии ~10 а.е. от хозяина и на расстоянии десятков парсеков, расстояние составит всего несколько десятых угловой секунды. ^[4]

СФЕРА является представителем второго поколения инструментов, предназначенных для прямого высококонтрастного изображения экзопланет. Эти инструменты сочетают в себе экстремальную адаптивную оптику с высокоэффективными коронографами, позволяющими корректировать атмосферную турбулентность с высокой частотой и ослаблять яркий свет родительской звезды. Кроме того, SPHERE использует дифференциальную визуализацию, чтобы использовать различия между светом планет и звезд с точки зрения его цвета или поляризации. ^[5] Другие действующие системы высококонтрастной визуализации включают проект 1640 в Паломарской обсерватории и систему Gemini Planet Imager на Южном телескопе Джемини . ^[4] Большой бинокулярный телескоп , оснащенный менее совершенной системой адаптивной оптики, успешно получил изображения множества внесолнечных планет. ^[6]

СФЕРА нацелена на прямое обнаружение планет размером с Юпитер и более крупных, отделенных от звезд-хозяев на 5 а.е. и более. Обнаружение и характеристика большого количества таких планет должны дать представление о планетарной миграции , гипотетическом процессе, при котором горячие Юпитеры , которые, как указывает теория, не могли образоваться так близко к своим звездам-хозяевам, как они обнаружены, мигрируют внутрь от того места, где они сформировались в протопланетном пространстве. диск . ^[7] Также предполагается, что массивных далеких планет должно быть много; Результаты SPHERE должны прояснить, в какой степени нынешнее наблюдаемое преобладание близко вращающихся горячих юпитеров представляет собой систематическую ошибку наблюдений. Наблюдения «СФЕРА» будут сосредоточены на следующих типах целей:

• близлежащие молодые звездные ассоциации, которые также могут предоставить возможности для обнаружения планет малой массы;
• звезды с известными планетами, особенно с долгосрочными остатками, появляющимися в регрессионном анализе их кривых лучевых скоростей, которые могут указывать на присутствие более отдаленных спутников;
• ближайшие звезды, что позволило бы обнаруживать цели с наименьшими орбитами, в том числе светящиеся только отраженным светом;
• звезды с возрастом от 100 млн лет до 1 млрд лет. В этих молодых системах даже меньшие планеты по-прежнему будут горячими и обильно излучают в инфракрасном диапазоне, что позволяет иметь более низкие обнаруживаемые массы.
• Высококонтрастные возможности SPHERE должны также позволить использовать его при изучении протопланетных дисков, коричневых карликов , эволюционировавших массивных звезд и, в меньшей степени, при исследовании Солнечной системы и внегалактических объектов. ^[8]

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

Описание прибора

Прибор СФЕРА и схема его подсистем

СФЕРА установлена ​​на телескопе VLT Unit 3 ESO в фокусе Нэсмита. В его состав входят следующие подсистемы:

• Организация Common Path and Infrastructure (CPI) является основной оптической скамьей. Он получает прямой свет от телескопа и передает стабилизированные, адаптивно скорректированные оптикой и коронографически отфильтрованные лучи на три дополнительных инструмента. Одним из его основных компонентов является система адаптивной оптики SAXO, которая корректирует атмосферную турбулентность 1380 раз в секунду. ^[1]
• Интегральный полевой спектрограф ( IFS ) охватывает поле зрения размером 1,73 x 1,73 дюйма, преобразуя спектральные данные в трехмерный (x,y,λ) куб данных.
• Инфракрасный двухдиапазонный формирователь изображений и спектрограф ( IRDIS ) имеет поле зрения 11 x 12,5 дюймов с масштабом пикселей 12,25 мс (миллисекунда дуги). IRDIS может обеспечить классическую визуализацию. Альтернативно, его можно сконфигурировать для обеспечения одновременного двухдиапазонного формирования изображения с использованием двух разных узкополосных фильтров, нацеленных на разные спектральные характеристики, или его можно сконфигурировать для обеспечения одновременного формирования изображений с помощью двух скрещенных поляризаторов. При работе в режиме длиннощелевой спектроскопии (LSS) коронографическая щель заменяет маску коронографа.
• Цюрихский визуализирующий поляриметр (ZIMPOL) представляет собой высококонтрастный визуализирующий поляриметр, работающий в видимом и инфракрасном диапазонах волн и способный достигать разрешения <30 мс. Он также способен создавать классические изображения с ограничением дифракции. ^[9]

Результаты науки

На этом инфракрасном изображении показано пылевое кольцо вокруг ближайшей звезды HR 4796A в южном созвездии Центавра. Это был один из первых инструментов, созданных инструментом SPHERE вскоре после того, как он был установлен на Очень Большом Телескопе ESO в мае 2014 года. Он не только показывает само кольцо с большой четкостью, но и раскрывает способность SPHERE уменьшать блики с самого начала. яркая звезда — ключ к поиску и изучению экзопланет в будущем.

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

• СФЕРА 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 около HIP 65426. ^{[11] [12]} Похоже, что планета имеет очень пыльную атмосферу, заполненную густыми облаками, и вращается вокруг нее. горячая молодая звезда, вращающаяся на удивление быстро.
• Сфера использовалась для поиска коричневого карлика, который, как ожидается, будет вращаться вокруг затменной двойной системы V471 Тельца . Тщательные измерения времени затмений показали, что они не были регулярными, но эти нерегулярности можно было объяснить, если предположить, что орбиты звезд возмущал коричневый карлик. Удивительно, но хотя гипотетический коричневый карлик должен был быть легко различим с помощью СФЕРЫ, ни одного изображения такого компаньона не удалось. Похоже, что традиционное объяснение странного поведения V471 Tauri неверно. Было предложено несколько альтернативных объяснений изменений орбитального времени, включая, например, возможность того, что эффекты могут быть связаны с изменениями магнитного поля в основном 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] Глобальная спиральная структура — это редкое явление в околозвездных дисках, которое, вероятно, вызвано гравитационным притяжением массивного тела, вращающегося вокруг звезды, такого как другое звезда или планета-гигант. Этот диск является первым, на котором было получено изображение возмущающего компаньона, что дает возможность проверить теории образования спиральных рукавов. На изображениях также виден разрыв, простирающийся от края коронографической маски примерно до орбиты Урана в нашей Солнечной системе.
• СФЕРА использовалась для получения первого подтвержденного изображения новорожденной планеты в публикации в июне 2018 года. Молодая планета PDS 70b формировалась в протопланетном диске вокруг звезды PDS 70 . ^[16]
• В июле 2020 года аппарат SPHERE непосредственно сфотографировал двух газовых гигантов на орбите звезды TYC 8998-760-1 . ^[17]

Улучшения производительности

Для улучшения работы прибора СФЕРА было предложено несколько проектов:

• HiRISE ^[18] (Визуализация высокого разрешения и спектроскопия экзопланет) уже реализована в качестве инструмента для посетителей с июля 2023 года. ^[19] Он сочетает в себе SPHERE с модернизированным спектрографом высокого разрешения CRIRES с использованием оптических волокон для улучшения характеристики экзопланет. обнаружен СФЕРОЙ.
• Проект SPHERE+ ^[20] направлен на модернизацию системы адаптивной оптики SAXO SPHERE и создание IFS среднего разрешения. Основными целями науки являются обнаружение молодых планет-гигантов на более близком расстоянии от рождающихся звезд и вокруг более тусклых звезд и их более подробная спектральная характеристика. Этот проект в настоящее время находится в стадии активной разработки и продолжается проектное исследование.
• Более исследовательская концепция, предложенная в 2017 году, заключалась в сочетании SPHERE со спектрографом ESPRESSO в видимой области спектра для попытки обнаружения планеты Проксима Cen b в отраженном свете. ^[21] От этой концепции отказались в пользу специального прибора под названием RISTRETTO, который будет установлен в качестве гостевого прибора на VLT.

Рекомендации

1. Beuzit, J.-L.; Виган, А.; Муйе, Д.; Долен, К.; Граттон, Р.; и другие. (2019). «СФЕРА: сканер экзопланет для Очень Большого Телескопа». Астрономия и астрофизика . 631 : А155. arXiv : 1902.04080 . Бибкод : 2019A&A...631A.155B. дои : 10.1051/0004-6361/201935251.
2. "Обзор СФЕРЫ" . Европейская южная обсерватория . Проверено 23 мая 2015 г.
3. «Первый свет для сканера экзопланет SPHERE» . ЭСО . 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 другие. (2015). «Работа VLT Planet Finder SPHERE». Астрономия и астрофизика . 576 : А121. arXiv : 1503.02486 . Бибкод : 2015A&A...576A.121M. дои : 10.1051/0004-6361/201423910. S2CID  44011290.
5. «Первый свет для сканера экзопланет SPHERE» . Европейская южная обсерватория . Проверено 24 мая 2015 г.
6. Эспозито, С.; Мне грустно.; 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 другие. (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. Д'Анджело, Г.; Любовь, С.Х. (2008). «Эволюция мигрирующих планет, претерпевающих аккрецию газа». Астрофизический журнал . 685 (1): 560–583. arXiv : 0806.1771 . Бибкод : 2008ApJ...685..560D. дои : 10.1086/590904. S2CID  84978.
8. Бёзи, Жан-Люк; и другие. «СФЕРА: инструмент поиска планет для VLT» (PDF) . Европейская южная обсерватория . Проверено 24 мая 2015 г.
9. "СФЕРА - Описание инструмента" . Европейская южная обсерватория . Проверено 24 мая 2015 г.
10. Нильсен, Эрик Л.; Роза, Роберт Дж. Де; Рамо, Жюльен; Ван, Джейсон Дж.; Эспозито, Томас М.; Миллар-Бланшер, Максвелл А.; Маруа, Кристиан; Виган, Артур; Аммонс, С. Марк (2017). «Доказательства того, что планета HD 131399 Ab, полученная прямым изображением, является фоновой звездой». Астрономический журнал . 154 (6): 218. arXiv : 1705.06851 . Бибкод : 2017AJ....154..218N. дои : 10.3847/1538-3881/aa8a69 . hdl : 10150/626174. ISSN  1538-3881. S2CID  55138870.
11. «СФЕРА ESO представляет свою первую экзопланету» . www.eso.org . Проверено 6 декабря 2017 г.
12. Шовен, Г.; Дезидера, С.; Лагранж, А.-М.; Виган, А.; Граттон, Р.; Ланглуа, М.; Боннефой, М.; Бёзит, Ж.-Л.; Фельдт, М. (01 сентября 2017 г.). «Открытие теплой пыльной планеты-гиганта около HIP 65426». Астрономия и астрофизика . 605 : Л9. arXiv : 1707.01413 . Бибкод : 2017A&A...605L...9C. дои : 10.1051/0004-6361/201731152. ISSN  0004-6361. S2CID  102344893.
13. «Странная история пропавшего гнома». Европейская южная обсерватория . Проверено 24 мая 2015 г.
14. Харди, А.; Шрайбер, MR; Парсонс, С.Г.; Касерес, К.; Ретамалес, Г.; Ваххадж, З.; Мавет, Д.; Кановас, Х.; Сьеса, Л. (01 февраля 2015 г.). «Первые научные результаты из сферы: опровержение предсказанного существования коричневого карлика вокруг V471 Тау». Письма астрофизического журнала . 800 (2): Л24. arXiv : 1502.05116 . Бибкод : 2015ApJ...800L..24H. дои : 10.1088/2041-8205/800/2/L24. ISSN  0004-637X. S2CID  28294501.
15. Вагнер, К.; Апай, Д.; Каспер, М.; Робберто, М. (22 октября 2015 г.). «Открытие двурукой спиральной структуры в диске с зазором вокруг звезды Herbig Ae Star HD 100453». Письма астрофизического журнала . 813 (1): Л2. arXiv : 1510.02212 . Бибкод : 2015ApJ...813L...2W. дои : 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 VLT ESO: Спектр показывает облачную атмосферу». www.eso.org . Проверено 6 июля 2018 г.
17. «Астрономы непосредственно сфотографировали две гигантские экзопланеты вокруг молодой звезды, похожей на Солнце | Астрономия | Sci-News.com» . Последние научные новости | Sci-News.com . Проверено 25 июля 2020 г.
18. Виган, А.; Эль Морси, М.; Лопес, М.; и другие. (2023). «Первый свет VLT/HiRISE: спектроскопия высокого разрешения молодых гигантских экзопланет». Астрономия и астрофизика . в прессе. arXiv : 2309.12390 . Бибкод : 2023arXiv230912390V.
19. Национальный центр научных исследований (13 июля 2023 г.). «Первый свет HiRISE, инновационного инструмента, предназначенного для изучения экзопланет». www.cnrs.fr. ​Проверено 13 июля 2023 г.
20. Боккалетти, А.; Шовен, Г.; Муйе, Д.; и другие. (2020). «СФЕРА+: Изображение молодых Юпитеров до линии снега». arXiv : 2003.05714 [astro-ph.EP].
21. Ловис, К.; Снеллен, И.; Муйе, Д.; и другие. (2017). «Описание характеристик атмосферы Проксимы b путем подключения высококонтрастного формирователя изображения SPHERE к спектрографу ESPRESSO». Астрономия и астрофизика . 599 : А16. arXiv : 1609.03082 . Бибкод : 2017A&A...599A..16L. дои : 10.1051/0004-6361/201629682.

Внешние ссылки

• СФЕРА - Спектро-поляриметрические высококонтрастные исследования экзопланет

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