Overflatetilordning av jordlignende eksoplaneter ved hjelp av enkeltpunktlyskurver

Summary

Protokollen trekker ut informasjon fra lyskurver av eksoplaneter og konstruerer sine overflatekart. Den bruker lyskurver av jorden, som fungerer som en proxy eksoplanet, for å demonstrere tilnærmingen.

Abstract

Romlig å løse eksoplanetfunksjoner fra enkeltpunktobservasjoner er avgjørende for å evaluere den potensielle beboeligheten til eksoplaneter. Det endelige målet med denne protokollen er å avgjøre om disse planetariske verdenene har geologiske egenskaper og/eller klimasystemer. Vi presenterer en metode for å trekke ut informasjon fra flerbølgelengde enkeltpunktslyskurver og hente overflatekart. Den bruker entall verdi nedbrytning (SVD) for å skille kilder som bidrar til lyskurve variasjoner og utlede eksistensen av delvis overskyet klimasystemer. Gjennom analyse av tidsseriene hentet fra SVD, kan fysiske tilskrivelser av hovedkomponenter (PCer) utledes uten antagelser om noen spektrale egenskaper. Ved å kombinere med visningsgeometri er det mulig å rekonstruere overflatekart hvis en av PCene finnes for å inneholde overflateinformasjon. Degeneracy stammer fra convolution av pikselgeometri og spektruminformasjon bestemmer kvaliteten på rekonstruerte overflatekart, noe som krever innføring av regularisering. For å demonstrere protokollen analyseres multibølgelengdelyskurver på jorden, som fungerer som en proxy-eksoplanet. Sammenligning mellom resultatene og grunnsannhet presenteres for å vise ytelsen og begrensningen av protokollen. Dette arbeidet gir en målestokk for fremtidig generalisering av eksoplanetapplikasjoner.

Introduction

Identifisere beboelige verdener er et av de endelige målene i astrobiologi¹. Siden den første^{deteksjonen 2}har mer enn 4000 eksoplaneter blitt bekreftet^{til dags dato 3} med en rekke jordanaloger (f.eks. TRAPPIST-1e)⁴. Disse planetene har orbitale og planetariske egenskaper som ligner på jorden, og er derfor potensielt beboelige. Evaluering av deres beboelse fra begrensede observasjoner er avgjørende i denne sammenhengen. Basert på kunnskap om livet på jorden, er geologiske og klimasystemer avgjørende for beboelse, noe som derfor kan tjene som biosignaturer. I prinsippet kan funksjonene i disse systemene observeres på avstand selv når en planet ikke kunne romlig løses bedre enn ett enkelt punkt. I dette tilfellet er identifisering av geologiske egenskaper og klimasystemer fra ettpunkts lyskurver avgjørende når man vurderer beboeligheten av eksoplaneter. Overflatekartlegging av disse eksoplanetene blir presserende.

Til tross for konveksjon mellom visning geometri og spektrale funksjoner, informasjon om en eksoplanet overflate finnes i sin tid-løst enkelt-punkts lyskurver, som kan oppnås på avstand, og avledet med tilstrekkelige observasjoner. Todimensjonal (2D) overflatekartlegging av potensielt beboelige jordlignende eksoplaneter er imidlertid utfordrende på grunn av påvirkning av skyer. Metoder for å hente 2D-kart er utviklet og testet ved hjelp av simulerte lyskurver og kjente spektra^5,6,7,8,men de har ikke blitt brukt på virkelige observasjoner. Videre, i analyser av eksoplanetobservasjoner nå og i nær fremtid, kan antagelser om karakteristiske spektra være kontroversielle når de planetariske overflatesammensetningene ikke er godt begrenset.

I dette papiret demonstrerer vi en overflatekartleggingsteknikk for jordlignende eksoplaneter. Vi bruker SVD til å evaluere og skille informasjon fra ulike kilder som finnes i lyskurver med flere bølgelengder uten antagelser om noen bestemt spektra. Kombinert med visningsgeometri presenterer vi rekonstruksjon av overflatekart ved hjelp av tidsmessig løst, men romlig innviklet overflateinformasjon. For å demonstrere denne metoden analyseres to årige flerbølgelengdeobservasjoner av jorden oppnådd av Deep Space Climate Observatory / Earth Polychromatic Imaging Camera (DSCOVR / EPIC; www.nesdis.noaa.gov/DSCOVR/spacecraft.html) . Vi bruker jorden som proxy eksoplanet for å vurdere denne metoden fordi for tiden tilgjengelige observasjoner av eksoplaneter ikke er tilstrekkelige. Vi legger ved koden med papiret som et eksempel. Den er utviklet under python 3.7 med anaconda og healpy pakker, men matematikken i protokollen kan også gjøres i andre programmeringsmiljøer (f.eks IDL eller MATLAB).

Protocol

1. Programmering oppsett Definer programmeringsmiljøet for den vedlagte koden. En datamaskin med Linux-operativsystem er nødvendig, da healpy pakken ikke er tilgjengelig på Windows. Koden er ikke beregningsmessig dyrt, så en vanlig personlig datamaskin kan håndtere protokollen. Følg instruksjonene (https://docs.anaconda.com/anaconda/install/linux/) for å installere Anaconda med Python 3.7 på systemet, og bruk deretter følgende kommandoer i terminalen for å konfigurere programmeringsmiljøet:…

Representative Results

Vi bruker multi-bølgelengde ettpunkts lyskurver på jorden for å demonstrere protokollen, og sammenligner resultatene med grunnsannhet for å evaluere kvaliteten på overflatekartlegging. Observasjon som brukes her er innhentet av DSCOVR / EPIC, som er en satellitt som ligger i nærheten av det første Lagrangian punktet (L1) mellom jorden og solen tar bilder på ti bølgelengder av den solfylte ansiktet av jorden. To år (2016 og 2017) av observasjoner brukes til denne demonstrasjonen, som er de samme som i Jiang et a…

Discussion

Et kritisk krav i protokollen er muligheten for å trekke ut overflateinformasjon fra lyskurver, som avhenger av skydekningen. I trinn 3.5.1 kan de relative verdiene til PCene være forskjellige blant eksoplaneter. Når det gjelder jorden, dominerer de to første PCene lyskurvevariasjonene, og tilsvarer overflateuavhengige skyer og overflate (Fan et al. 2019)¹³. De har sammenlignbare entallsverdier slik at overflateinformasjonen kan skilles etter trinn 3.5.2 og 3.5.3. For en fremtidig observasjon …

Materials

Python 3.7 with anaconda and healpy packages

Other programming environments (e.g., IDL or MATLAB) also work.