Toward Detections and Characterization of Habitable Transiting Exoplanets



Yüklə 55,86 Kb.

tarix02.01.2018
ölçüsü55,86 Kb.


Toward Detections and Characterization of 

Habitable Transiting Exoplanets 

Norio Narita (NAOJ) 

This document is provided by JAXA.




Outline 

Current Status and Next Step to Detect Habitable 



Transiting Exoplanets 

Methodology and Prospects of Characterizing 



Habitable Transiting Exoplanets 

Summary 



This document is provided by JAXA.


Various Exoplanet Detection Methods 

Radial velocity method 



First detection in 1995, 500+ planets 

Transit method (this talk) 



First detection in 2000, 400+ planets, 3000+ candidates 

Gravitational microlensing method 



First detection in 2004, 20+ planets 

Direct imaging method 



First detection in 2008, 10+ planets/brown dwarfs 

This document is provided by JAXA.



What is Planetary Transit? 

primary eclipse 

= transit 

secondary 

 eclipse 

planetary orbit 

This document is provided by JAXA.



The First Discovery of a Transiting Exoplanet 

Charbonneau et al. (2000) 

Transits of “hot Jupiter” HD209458b 

This document is provided by JAXA.




Features of Transits 

Can determine 



planetary radius 

Other methods cannot do this 



Can determine 

planetary true mass and density

 

when combined with the RV method 



The density is important information to infer planetary 

internal structure (gas, rock, iron, etc) 

Can characterize 



planetary atmosphere and orbit

 

(later) 



This document is provided by JAXA.


How to Detect Transiting Exoplanets 

One can search for periodic dimming from this kind of data 

From TrES survey 

This document is provided by JAXA.




Space Mission for Transiting Planet Search 

CoRoT 


launched 2006/12/27 

Kepler 


launched 2009/3/6 

This document is provided by JAXA.




Kepler Field of View 

This document is provided by JAXA.




TrES-2 

(Kepler-1) 

HAT-P-7 

(Kepler-2) 

HAT-P-11 

(Kepler-3) 

Pre-Kepler Transiting Planets 

This document is provided by JAXA.




<1.25 R

E

 



First 4 Month Kepler Planet Candidates 

1235 


Planet Candidates 

This document is provided by JAXA.




2740 planet candidates (2013/01) -> 3277 candidates (2013/06) 

<1.25 R

E

 



This document is provided by JAXA.


54 candidates are in 

possible habitable zone. 

5 are terrestrial size. 

This document is provided by JAXA.




Possible Habitable Planet reported in 2011 

This document is provided by JAXA.




Habitable Super-Earths reported in 2013 

This document is provided by JAXA.




Habitable Super-Earths reported in 2013 

This document is provided by JAXA.




(Sub-)Earth-sized Planets 

Earth-sized planet Kepler-20f 

Mars-sized planet KOI-961.03 (renamed as Kepler-42d) 

This document is provided by JAXA.




Kepler’s Weakness 

Kepler targets relatively faint and far stars 



Although over 3000 candidates discovered, RV follow-

ups for all targets are difficult 

Further characterization studies are also difficult 



 

Kepler is good for statistical studies, but not for 



detailed studies for each planet 

This document is provided by JAXA.




Strategy of Future Transit Survey 

Future transit surveys will target 



nearby bright stars  

to detect terrestrial planets in habitable zone 

 



Ground-based transit survey for nearby M dwarfs 



MEarth lead by D. Charbonneau at Harvard 

Other teams all over the world 



IRD transit group 

Space-based all-sky transit survey for bright stars 



TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) by MIT team 

This document is provided by JAXA.



All-Sky Transit Survey: TESS 

Led by MIT and approved by NASA in April 2013. 

TESS will be launched in 2017. 

This document is provided by JAXA.




Outline 

Current Status and Next Step to Detect Habitable 



Transiting Exoplanets 

Methodology to Characterize Transiting Exoplanets 



and Future Prospects 

Summary 



This document is provided by JAXA.


What we would like to study for Habitable Planets?  

1. What are components of their atmospheres? 

Important information to infer habitability 



Do they have hydrogen atmosphere? 

Hydrogen is strong green house gas and affect habitability 



(Pierrehumbert & Gaidos 2011) 

2. How do they form? 

Uncovering their migration mechanism 



This document is provided by JAXA.


Characterization of their Atmospheres 

star 


Transit depths depend on lines / wavelength reflecting atmosphere 

Transmission Spectroscopy 

This document is provided by JAXA.



Differences of Transmission Spectra 

Super-Earths may have hydrogen-rich atmosphere, 

which has a large atmospheric scale height 

Courtesy of Yui Kawashima 

This document is provided by JAXA.



Discriminating Hydrogen-Rich Atmosphere 

Miller-Ricci & Fortney (2010) 

Solar abandance atmosphere 

One can tell whether a planet has hydrogen-rich atmosphere 

or not 

by multi-color transit photometry 



This document is provided by JAXA.


Other Spectroscopic Features 

Benneke & Seager (2012) 

Optilal-NIR region has some features of atmospheric compositions 

This document is provided by JAXA.




Transmission Spectroscopy by MOS 

One can do transmission spectroscopy using 



MOS 

(multi-object spectrograph) instruments 

VLT/FORS2, Gemini/GMOS, Magellan/MMIRS already 



reported excellent results 

 



Simultaneously observe target and reference stars 

using very wide slit (~10”) to avoid light-loss from slits 



integrate wavelength to create high precision light curves 

This document is provided by JAXA.



Example by Bean et al. (2010) 

Instrument: VLT/FORS2 



Target: GJ1214b (V=14.7) 

Integration: 20 nm (R ~ 30) 



Precision: 331-580 ppm 

This document is provided by JAXA.



Recent Example by Gibson et al. (2012)  

Instrument: Gemini South/GMOS 



Target: WASP-29b (V=11.3) 

Integration: about 15 nm (R ~ 40) 



Precision: ~400 ppm 

This document is provided by JAXA.



Optical MOS is useful to see Rayleigh Slope 

One can tell whether the atmosphere is dominated by hydrogen or not 

and possible existence of haze particle 

This document is provided by JAXA.




Kepler-22 Properties 

Planet 



Period: 289.86 days 

Radius: 2.4 R



E

 (super-Earth), transit depth: 500 ppm

 



gaseous mini-Neptune or large ocean planet? 



Host Star 

G5V star 



B=11.5, R=11.7

, J=10.5, H=10.2 

TMT’s optical MOS instrument (WFOS) can measure the 



Rayleigh slope in optical wavelength 

This document is provided by JAXA.




Transmission Spectroscopy with Space Telescopes 

H

2



CO



Simulated ~100hr detections of molecules in atmospheres of habitable 

transiting super-Earths (Deming et al. 2009) 

JWST/SPICA can characterize NIR-MIR transmission spectra 

This document is provided by JAXA.




What E-ELT’s High Dispersion Spectrographs Can 

Transmission spectroscopy 



Can detect atmospheric atomic/molecular absorptions 

 



High dispersion instruments can directly detect 



planet’s shadow and can measure orbital obliquity 

Important information to infer ``how do they form?’’ 



 

This document is provided by JAXA.




What is Planet’s Shadow? 

planet hides an approaching side 

planet hides a receding side 

planet 


planet 

star 


Planet removes a part of velocity component of stellar lines 

This document is provided by JAXA.




What happen to Shape of Stellar Lines 

Stellar lines of HAT-P-2 taken with Keck/HIRES 

Albrecht et al. (2013) 

optimal kernel of lines 

This document is provided by JAXA.



Planet’s Shadow in Stellar Lines 

transit 


This shadow shows a trajectory of the planet in front of the star 

This document is provided by JAXA.




What we can learn by planet’s shadow 

The obliquity tells us planetary migration mechanisms of exoplanets. 

Like our Solar System or experienced dynamical migration. 

Planetary Orbital Plane 

Planet 

Planetary Orbital Axis 



Stellar Spin Axis 

Star 


This document is provided by JAXA.


Capability of E-ELT’s High Dispersion Spectrographs 

Can detect planet’s shadow and measure orbital 



obliquity of smaller planets 

TMT can reveal migration history for smaller planets 



which means, 

TMT can answer an aspect of “how 

planetary systems form” 

This document is provided by JAXA.



Summary 

Ongoing and future transit survey (TESS) will discover 



habitable transiting planets in Solar neighborhood 

 



Future E-ELTs and space telescopes will work on 

characterizing their atmospheres and formation 

mechanisms 

This document is provided by JAXA.



Document Outline

  • スライド番号 1
  • Outline
  • Various Exoplanet Detection Methods
  • What is Planetary Transit?
  • The First Discovery of a Transiting Exoplanet
  • Features of Transits
  • How to Detect Transiting Exoplanets
  • Space Mission for Transiting Planet Search
  • Kepler Field of View
  • Pre-Kepler Transiting Planets
  • First 4 Month Kepler Planet Candidates
  • スライド番号 12
  • スライド番号 13
  • Possible Habitable Planet reported in 2011
  • Habitable Super-Earths reported in 2013
  • Habitable Super-Earths reported in 2013
  • (Sub-)Earth-sized Planets
  • Kepler’s Weakness
  • Strategy of Future Transit Survey
  • All-Sky Transit Survey: TESS
  • Outline
  • What we would like to study for Habitable Planets? 
  • Characterization of their Atmospheres
  • Differences of Transmission Spectra
  • Discriminating Hydrogen-Rich Atmosphere
  • Other Spectroscopic Features
  • Transmission Spectroscopy by MOS
  • Example by Bean et al. (2010)
  • Recent Example by Gibson et al. (2012) 
  • Optical MOS is useful to see Rayleigh Slope
  • Kepler-22 Properties
  • Transmission Spectroscopy with Space Telescopes
  • What E-ELT’s High Dispersion Spectrographs Can
  • What is Planet’s Shadow?
  • What happen to Shape of Stellar Lines
  • Planet’s Shadow in Stellar Lines
  • What we can learn by planet’s shadow
  • Capability of E-ELT’s High Dispersion Spectrographs
  • Summary



Dostları ilə paylaş:


Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©genderi.org 2019
rəhbərliyinə müraciət

    Ana səhifə