מיפוי פני השטח של אקסופלנטות דמויי כדור הארץ באמצעות עקומות אור בנקודה אחת
Summary
הפרוטוקול מחלץ מידע מתעקומות אור של אקסופלנטות ובונים את מפות פני השטח שלהם. היא משתמשת בעקומות אור של כדור הארץ, המשמש כאקסופלנטה פרוקסי, כדי להדגים את הגישה.
Abstract
פתרון מרחבי של תכונות אקסופלנטה מתצפיות של נקודה אחת חיוני להערכת המגורים הפוטנציאליים של אקסופלנטות. המטרה הסופית של פרוטוקול זה היא לקבוע אם עולמות פלנטריים אלה נמל תכונות גיאולוגיות ו / או מערכות אקלים. אנו מציגים שיטה לחילוץ מידע מתעקומות אור מרובות אורך גל בנקודה אחת ואחזור מפות פני השטח. היא משתמשת בפירוק ערך יחיד (SVD) כדי להפריד מקורות התורמים לווריאציות עקומת האור ומקנים את קיומן של מערכות אקלים מעוננות חלקית. באמצעות ניתוח של סדרת הזמן שהתקבלה מ- SVD, ניתן להסיק ייחוסים פיזיים של רכיבים עיקריים (מחשבים) ללא הנחות של מאפיינים ספקטרליים כלשהם. בשילוב עם גיאומטריית הצפייה, ניתן לשחזר מפות משטח אם נמצא שאחד המחשבים מכיל מידע על פני השטח. Degeneracy מקורו התכווצות של גיאומטריית פיקסל ומידע ספקטרום קובע את האיכות של מפות משטח משוחזרות, אשר דורש המבוא של סדירות. לצורך הדגמת הפרוטוקול, עקומות אור באורך גל מרובה של כדור הארץ, המשמש אקסופלנטה פרוקסי, מנותחים. השוואה בין התוצאות לאמת הקרקע מוצגת כדי להראות את הביצועים והמגבלה של הפרוטוקול. עבודה זו מספקת אמת מידה להכלה עתידית של יישומי אקסופלנטה.
Introduction
זיהוי עולמות ראויים למגורים היא אחת המטרות הסופיות באסטרוביולוגיה1. מאז הגילוי הראשון2, יותר מ 4000 exoplanets אושרועד כה 3 עם מספר אנלוגים כדור הארץ (למשל, TRAPPIST-1e)4. לכוכבי לכת אלה יש תכונות מסלוליות וכוכבי לכת הדומות לאלה של כדור הארץ, ולכן הם עשויים להיות ראויים למגורים. הערכת המגורים שלהם מתצפיות מוגבלות היא חיונית בהקשר זה. בהתבסס על הידע של החיים על פני כדור הארץ, מערכות גיאולוגיות ואקלים הן קריטיות למגורים, אשר ולכן יכול לשמש תרגמים ביולוגיים. באופן עקרוני, ניתן היה לצפות בתכונות של מערכות אלה ממרחק גם כאשר לא ניתן היה לפתור כוכב לכת באופן מרחבי טוב יותר כנקודה אחת. במקרה זה, זיהוי תכונות גיאולוגיות ומערכות אקלימיות מתקיות אור חד-נקודתיות חיוני בעת הערכת המגורים של אקסופלנטות. מיפוי פני השטח של האקסופלנטות האלה הופך לדחוף.
למרות ההתפתלויות בין גיאומטריית הצפייה לתכונות ספקטרליות, מידע על פני השטח של אקסופלנטה נכלל בעקומות האור החד-נקודתיות שנפתרו בזמן, אותן ניתן להשיג ממרחק, ונגזר ממנו תצפיות מספיקות. עם זאת, מיפוי פני השטח הדו-ממדי (2D) של כוכבי לכת דמויי כדור הארץ עשויים להיות ראויים למגורים, ומאתגר בשל השפעת העננים. שיטות לאחזור מפות דו-ממדיות פותחו ונבדקו באמצעות עקומות אור מדומהוספקטרום ידוע 5,6,7,8, אך הן לא הוחלו על תצפיות אמיתיות. יתר על כן, בניתוחים של תצפיות אקסופלנטה עכשיו ובביטיד הקרוב, הנחות של ספקטרום אופייני עשוי להיות שנוי במחלוקת כאשר קומפוזיציות פני השטח פלנטריות אינן מוגבלות היטב.
בנייר זה, אנו מדגימים טכניקת מיפוי פני השטח עבור כוכבי לכת אקסו-פלנטות דמויי כדור הארץ. אנו משתמשים ב- SVD כדי להעריך ולהפריד מידע ממקורות שונים הכלולים בעקומות אור באורך גל מרובה ללא הנחות של ספקטרום ספציפי כלשהו. בשילוב עם גיאומטריית הצפייה, אנו מציגים את השחזור של מפות פני השטח באמצעות מידע משטח שנפתר בזמן אך מרחבי. לצורך הדגמת שיטה זו, תצפיות של שנתיים באורך גל יחיד של כדור הארץ שהושגו על ידי מצפה האקלים בחלל העמוק/ מצלמת הדמיה פוליכרומטית של כדור הארץ (DSCOVR/EPIC; www.nesdis.noaa.gov/DSCOVR/spacecraft.html) מנותחות. אנו משתמשים בכדור הארץ כאקסופלנטה פרוקסי כדי להעריך שיטה זו כי כרגע תצפיות זמינות של אקסופלנטות אינן מספיקות. אנחנו מצרףים את הקוד עם הנייר כדוגמה. הוא פותח תחת פיתון 3.7 עם אנקונדה וחבילות מרפא, אבל המתמטיקה של הפרוטוקול יכול להיעשות גם בסביבות תכנות אחרות (למשל, IDL או MATLAB).
Protocol
Representative Results
Discussion
אחת הדרישות הקריטיות של הפרוטוקול היא היתכנות של חילוץ מידע פני השטח מעקומות אור, התלויות בכיסוי הענן. בשלב 3.5.1, הערכים היחסיים של המחשבים עשויים להיות שונים בין אקסופלנטות. במקרה של כדור הארץ, שני המחשבים הראשונים שולטים בווריאציות עקומת האור, ומתאימים לעננים ומשטחים בלתי תלויים לפני השט…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה בחלקה על ידי מעבדת ההנעה ה סילונית, המכון הטכנולוגי של קליפורניה, תחת חוזה עם נאס”א. YLY להכיר תמיכה על ידי המעבדה פלנטרית וירטואלית באוניברסיטת וושינגטון.
Materials
| Python 3.7 with anaconda and healpy packages | Other programming environments (e.g., IDL or MATLAB) also work. |
Referenzen
- Schwieterman, E. W., et al. Exoplanet Biosignatures: A Review of Remotely Detectable Signs of Life. Astrobiology. 18 (6), 663-708 (2018).
- Campbell, B., Walker, G. A. H., Yang, S. A Search for Substellar Companions to Solar-type Stars. The Astrophysical Journal. 331, 902 (1988).
- NASA. . NASA Exoplanet Archive (2019) Confirmed Planets Table. , (2019).
- Gillon, M., et al. Seven temperate terrestrial planets around the nearby ultracool dwarf star TRAPPIST-1. Nature. 542 (7642), 456-460 (2017).
- Kawahara, H., Fujii, Y. Global Mapping of Earth-like Exoplanets from Scattered Light Curves. The Astrophysical Journal. 720 (2), 1333 (2010).
- Fujii, Y., Kawahara, H. Mapping Earth Analogs from Photometric Variability: Spin-Orbit Tomography for Planets in Inclined Orbits. The Astrophysical Journal. 755 (2), 101 (2012).
- Cowan, N. B., Fujii, Y. Mapping Exoplanets. Handbook of Exoplanets. , (2018).
- Farr, B., Farr, W. M., Cowan, N. B., Haggard, H. M., Robinson, T. exocartographer: A Bayesian Framework for Mapping Exoplanets in Reflected Light. The Astronomical Journal. 156 (4), 146 (2018).
- Lomb, N. R. Least-Squares Frequency Analysis of Unequally Spaced Data. Astrophysics and Space Science. 39 (2), 447 (1976).
- Scargle, J. D. Studies in astronomical time series analysis. II. Statistical aspects of spectral analysis of unevenly spaced data. The Astrophysical Journal. 263, 835 (1982).
- Górski, K. M., et al. HEALPix: A Framework for High-Resolution Discretization and Fast Analysis of Data Distributed on the Sphere. The Astrophysical Journal. 622 (2), 759 (2005).
- Jiang, J. H., et al. Using Deep Space Climate Observatory Measurements to Study the Earth as an Exoplanet. The Astronomical Journal. 156 (1), 26 (2018).
- Fan, S., et al. Earth as an Exoplanet: A Two-dimensional Alien Map. The Astrophysical Journal Letters. 882 (1), 1 (2019).
- Cowan, N. B., Strait, T. E. Determining Reflectance Spectra of Surfaces and Clouds on Exoplanets. The Astrophysical Journal Letters. 765 (1), 17 (2013).
- Fujii, Y., Lustig-Yaeger, J., Cowan, N. B. Rotational Spectral Unmixing of Exoplanets: Degeneracies between Surface Colors and Geography. The Astronomical Journal. 154 (5), 189 (2017).
- Kawahara, H., Fujii, Y. Mapping Clouds and Terrain of Earth-like Planets from Photomertic Variability: Demonstration with Planets in Face-on Orbits. The Astrophysical Journal Letters. 739 (2), 62 (2011).
- Kawahara, H. Frequency Modulation of Directly Imaged Exoplanets: Geometric Effect as a Probe of Planetary Obliquity. The Astrophysical Journal. 822 (2), 112 (2016).
- Schwartz, J. C., Sekowski, C., Haggard, H. M., Pall ́e, E., Cowan, N. B. Inferring planetary obliquity using rotational and orbital photometry. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 457 (1), 926-938 (2016).
