ローウェル天文台の天文学者は、6 つの新しい系外惑星を確認し、さらに 13 の可能性のある惑星を特定するのに役立ちます

フラッグスタッフのローウェル天文台の 2 人の天文学者は、次の研究の共著者の 1 人です。 王立天文学会の月例通知 6 つの系外惑星と追加の 13 の惑星候補の発見を発表します。

ただし、Gerard van Belle と Catherine Clark は寄稿者だけではありません。 彼らは、系外惑星の存在を確認するために必要なフォローアップ観測に使用される機器を設計および構築しました。

QWSSI

van Belle と Clark の太陽系外惑星探索への最新の貢献は、クアッドカメラ波面センシング 6 チャネル スペックル干渉計であり、天文台の以前の微分スペックル調査装置に取って代わりました。

スペックル イメージングは​​、天体写真で大気の乱れによるぼやけ効果を軽減するために使用される技術です。 これには、100 ミリ秒以下という非常に短い時間で、ターゲット オブジェクトの多数の短時間露光を行うことが含まれるため、写真中に大気が変化する時間は最小限に抑えられます。 これらの露出は、高品質の元の画像を再現するために処理されます。

QWSSI やその他の同様の機器で実行されるスペックル干渉法では、スペックル画像を組み合わせて生成された回折パターンから、フーリエ解析を使用してノイズをキャンセルし、粒状性を補正して、ターゲット オブジェクトの再構成画像に追加データを組み込む必要があります。

大気を通して星を撮影することは、「誰かがプールに飛び込んだ後、プールの底にある四分の一を見ようとすることによく似ています」とヴァン・ベルは説明した. 「この QWSSI 機器は、これを分解するのに役立ちます…望遠鏡をフル解像度で使用できるようにします。」

QWSSI は 170 インチのローウェル ディスカバリー テレスコープに取り付けられています。これは米国本土で 5 番目に大きい望遠鏡で、ハッピー ジャックのフラッグスタッフの南東に位置しています。 4 つの可視光と 2 つの近赤外光の 6 つの波長で同時にイメージングでき、波面センサーを組み込んで、後処理で使用できる入射光に関する追加データを提供します。 その前身である DSSI は、2 つの波長でしかイメージングできませんでした。

2012 年にオーク クリーク村の真東、ハッピー ジャックの近くに建設されたローウェル ディスカバリー望遠鏡の眺め。 望遠鏡を使って作業している天文学者は、6 つの系外惑星と追加の 13 の惑星候補の存在を確認するのに役立ちました。 写真提供:Gerard van Belle.

「設計哲学は、安価で迅速な構築のために最適化されました」と、クラークとヴァン ベルは、2021 年のアメリカ天文学会紀要の QWSSI の説明に書いています。 3D プリントされました。」

van Belle 氏によると、設計作業には約 6 ~ 9 か月かかりましたが、メーカーから提供された CAD ファイルを使用して仮想プロトタイプを作成できたため、既製の部品を使用することで非常に容易になりました。 組み立てにはさらに6か月かかりました。

「私たちは実際にスケジュールを立て、それを守ることができました。これは驚くべきことでした」と van Belle 氏はビルド時間についてコメントしました。

同様に注目に値するのは、QWSSI の約 26,000 ドルという低価格です。 Van Belle 氏は、コストを抑える主な要因は、DSSI から CCD 検出器をリサイクルするという決定であり、これにより約 100,000 ドルを節約できたと指摘しました。 van Belle 氏によると、QWSSI の機能の実証に成功したため、これらの検出器を交換し、追加の検出器セットを追加し、専用の光学系でフィルターをアップグレードするための 3 つの追加の助成金を受け取りました。 後者は、機器の既製部品のコストとは対照的に、120,000 ドルかかります。

組み立てられた QWSSI 装置は、約 2 フィート四方、厚さ 6 インチの光学ボックスを満たします。 テストは2020年夏に開始されました。

「望遠鏡にボルトで固定すると、箱から出してすぐに機能しました」と van Belle 氏は喜んで言いました。

クラークは、機器の組み立てと適切な位置合わせにおいて主導的な役割を果たしました。また、特定の種類の数学的専門知識を必要とする QWSSI データの主要なユーザーの 1 人でもあります。

van Belle はローウェル天文台のスタッフ天文学者で、天文干渉法と惑星検出を専門としています。 また、海軍精密光学干渉計の主任科学者でもあります。 小惑星 25155 van Belle は彼にちなんで名付けられました。

クラークは元研究助手で、北アリゾナ大学で QWSSI の開発に基づく論文で博士号を取得し、現在は NASA のジェット推進研究所のポスドク研究員であり、多星系の惑星の特徴付けに焦点を当てた研究を行っています。

ケプラー補正

2009 年に打ち上げられたケプラー宇宙望遠鏡は、惑星が親星を通過することによって引き起こされる恒星の明るさの低下を測定することによって系外惑星を検出するように設計されました。 9 年間で 530,506 個の星を観測し、2,662 個の惑星を検出しました。

2013 年、望遠鏡の 2 つのリアクション ホイールが故障し、照準機能が中断され、集光能力が 1 桁以上低下しました。 ケプラー ミッションのこの第 2 段階で生成されたデータの精度が低いため、分析方法の改善と、その中にある可能性のある系外惑星の信号を特定するための追加の追跡観測が必要でした。

バルセロナ王立科学芸術アカデミーのダニエル・デル・セルが率いる TFAW 調査では、ケプラー光度曲線データは、EVEREST 2.0 と呼ばれる「一連のピクセル相関除去およびトレンド除去アルゴリズム」によって処理され、「a TFAW と呼ばれる新しいウェーブレットベースのトレンド除去およびノイズ除去アルゴリズム」は、「K2 光度曲線に適用されるどのトレンド除去方法よりも優れた測光精度と惑星の特徴付けの両方を提供します」と、デル・セルと彼の共著者は MNRAS 論文に書いています。 これらのアルゴリズムからの結果は、誤検出を排除するためのさらなる審査プロセスにかけられます。

しかし、これらの方法でケプラー データを正確に分析するには、対象となる星の背景データを更新して恒星の伴星を除外する必要があることを研究チームは発見しました。 研究によると、このデータの一部は QWSSI と LDT によって提供され、星ごとに「1000 から数千のスペックル フレーム」が提供されました。 Van Belle は、これを「多くのクリーンアップ作業」を行っていると説明しました。

フラッグスタッフの LDT に加えて、この研究では、マウイ島の Pan-STARRS 望遠鏡、中国北部の LAMOST 望遠鏡、チリの SOAR 望遠鏡からのフォローアップ観測を利用しました。

プラネットフォール

MNRAS の論文に記載されている TFAW 調査の第 2 段階では、300,000 以上のケプラー光度曲線を分析し、24 の星系にある 27 の候補惑星を特定しました。 チームは統計的に 6 つの惑星の存在を確認し、8 つの候補を偽陽性として却下しました。 残りの13人の候補の存在を確認するには、追加の追跡調査が必要です。

「検証済みの候補惑星のサンプルは、3 つの亜地球惑星、7 つの地球、4 つのスーパーアース、および 4 つの亜海王星で構成されています」と著者は要約しています。 これらの惑星のほとんどは、公転周期が 3 ~ 10 日の範囲であり、すべてが星のハビタブル ゾーン内にあることを示しています。 検証済みの候補惑星のうち 8 個の半径は、地球の半径の 1.5 倍未満であり、チームは「TFAW 補正光度曲線と TLS の組み合わせによって、より小さな惑星の検出が改善されることを示している」と示唆しています。

確認されている惑星は次のとおりです。

  • EPIC 210768568.01: 地球質量 2.34、公転周期 3.2 日、地球から 965 光年
  • EPIC 247422570.01: 地球質量 5.58、公転周期 5.9 日、地球から 2,181 光年
  • EPIC 246078343.01 & EPIC 246078343.02: 地球から 825 光年。 内惑星の質量は地球の 0.36 倍で、公転周期は 0.8 日であり、地球の 1 日より短い周期で発見された数少ない惑星の 1 つです。 外惑星の質量は地球の 1.83 倍で、公転周期は 5.33 日です。
  • EPIC 246220667.01 & EPIC 246220667.02: 地球から 835 光年。 内惑星の質量は地球の 1.22 倍で、公転周期は 4.4 日です。 外惑星は質量が地球の 5.03 倍で、公転周期は 6.7 日です。

この研究の未確認の候補惑星には、2,220光年離れた多惑星系の外惑星であるEPIC 247560727.02が含まれ、質量は地球質量の6.78倍で、星を8.4日で周回し、その密度を考えると、水の世界である可能性があります.

明日を見据えて

TFAW 研究にデータを提供することに加えて、QWSSI は、太陽系のすぐ近くを約 50 光年離れた範囲で調査して、この領域の連星の数を決定するためにも使用されています。 ヴァン・ベルは、この偵察中に約 1,200 個の星を調査し、以前の機器では検出できないほど淡い約 35 個の新しい伴星を発見したと述べました。 これらの新しい発見により、恒星の多重度が約 10% 上昇しました。これは、系外惑星の探索に重要な意味を持ちます。

QWSSI からの高解像度のスペックル画像。近くに伴星があることが発見された星 TOI-482 を示しています。4 時の位置にかすかな画像があります (10 時の位置に 2 番目の「ゴースト」画像があります)。 TOI-482 の 2 つのコンポーネント間の距離は約 0.4 秒角で、他の計測器で可能な距離よりも約 2 ~ 3 倍近くなっています。 TOI-482は地球から567光年離れています。 写真提供:Gerard van Belle.

「これまで誰も見たことのないものを発見できます」と van Belle 氏は言います。

QWSSI は、LDT の別の機器であるイェール系外惑星研究所の EXPRES 高解像度分光計と連携して、系外惑星の発見と連星の特徴付けの作業を継続することが期待されています。 QWSSI の宇宙飛行定格バージョンも開発中です。

「とても楽しかったです」とヴァン・ベルは語った。 「私たちはこれを成功させることにかなり成功しました。」

MNRAS 論文のプレプリント版は、arxiv.org/pdf/2210.10805.pdf で入手できます。

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