Cartographie de surface des exoplanètes de la Terre à l’aide de courbes lumineuses à point unique
Summary
Le protocole extrait des informations des courbes lumineuses des exoplanètes et construit leurs cartes de surface. Il utilise des courbes lumineuses de la Terre, qui sert d’exoplanète proxy, pour démontrer l’approche.
Abstract
La résolution spatiale des caractéristiques des exoplanètes à partir d’observations en un seul point est essentielle pour évaluer l’habitabilité potentielle des exoplanètes. Le but ultime de ce protocole est de déterminer si ces mondes planétaires abritent des caractéristiques géologiques et/ou des systèmes climatiques. Nous présentons une méthode d’extraction de l’information à partir de courbes lumineuses à un point à longueur d’onde multiples et de récupération des cartes de surface. Il utilise la décomposition de la valeur singulière (SVD) pour séparer les sources qui contribuent aux variations de la courbe lumineuse et en déduire l’existence de systèmes climatiques partiellement nuageux. Grâce à l’analyse des séries de temps obtenues à partir de la SVD, les attributions physiques des principaux composants (PC) pourraient être déduites sans hypothèses de propriétés spectrales. En combinaison avec la géométrie de visualisation, il est possible de reconstruire des cartes de surface si l’un des PC contient des informations de surface. La dégénérisation provenant de la convolution de la géométrie des pixels et de l’information sur le spectre détermine la qualité des cartes de surface reconstruites, ce qui nécessite l’introduction d’une régularisation. Dans le but de démontrer le protocole, des courbes lumineuses à longueurs d’onde multiples de la Terre, qui sert d’exoplanète proxy, sont analysées. La comparaison entre les résultats et la vérité du sol est présentée pour montrer la performance et la limitation du protocole. Ces travaux fournissent une référence pour la généralisation future des applications d’exoplanètes.
Introduction
Identifier les mondes habitables est l’un des objectifs ultimes de l’astrobiologie1. Depuis la première détection2, plus de 4000 exoplanètes ont été confirmées à cejour 3 avec un certain nombre d’analogues de la Terre (par exemple, TRAPPIST-1e)4. Ces planètes ont des propriétés orbitales et planétaires similaires à celles de la Terre, et sont donc potentiellement habitables. L’évaluation de leur habitabilité à partir d’observations limitées est essentielle dans ce contexte. Basés sur la connaissance de la vie sur Terre, les systèmes géologiques et climatiques sont essentiels à l’habitabilité, qui peut donc servir de biosignatures. En principe, les caractéristiques de ces systèmes pouvaient être observées à distance même lorsqu’une planète ne pouvait pas être résolue spatialement mieux qu’un seul point. Dans ce cas, il est essentiel d’identifier les caractéristiques géologiques et les systèmes climatiques à partir de courbes lumineuses à point unique lorsqu’il s’agit d’évaluer l’habitabilité des exoplanètes. La cartographie de surface de ces exoplanètes devient urgente.
Malgré la convolution entre la géométrie de visualisation et les caractéristiques spectrales, l’information de la surface d’une exoplanète est contenue dans ses courbes lumineuses à un point résolues dans le temps, qui peuvent être obtenues à distance et dérivées d’observations suffisantes. Toutefois, la cartographie de surface bidimensionnelle (2D) des exoplanètes potentiellement habitables de la Terre est difficile en raison de l’influence des nuages. Des méthodes de récupération des cartes 2D ont été développées et testées à l’aide de courbes lumineuses simulées et de spectresconnus 5,6,7,8, mais elles n’ont pas été appliquées à des observations réelles. En outre, dans les analyses des observations d’exoplanètes aujourd’hui et dans un proche avenir, les hypothèses de spectres caractéristiques peuvent être controversées lorsque les compositions planétaires de surface ne sont pas bien limitées.
Dans cet article, nous démontrons une technique de cartographie de surface pour les exoplanètes de type Terre. Nous utilisons SVD pour évaluer et séparer l’information de différentes sources qui est contenue dans les courbes de lumière à plusieurs longueurs d’onde sans hypothèses de spectres spécifiques. Combiné avec la géométrie de visualisation, nous présentons la reconstruction des cartes de surface en utilisant des informations de surface résolues en temps opportun mais spatialement alambiquées. Dans le but de démontrer cette méthode, des observations à un point multi-longueurs d’onde de deux ans de la Terre obtenues par l’Observatoire du climat spatial profond/Caméra d’imagerie polychromatique de la Terre (DSCOVR/EPIC; www.nesdis.noaa.gov/DSCOVR/spacecraft.html) sont analysées. Nous utilisons la Terre comme exoplanète proxy pour évaluer cette méthode parce que les observations actuellement disponibles des exoplanètes ne sont pas suffisantes. Nous attachons le code avec le papier à titre d’exemple. Il est développé sous python 3.7 avec des paquets anaconda et healpy, mais les mathématiques du protocole peuvent également être faites dans d’autres environnements de programmation (par exemple, IDL ou MATLAB).
Protocol
Representative Results
Discussion
Une exigence essentielle du protocole est la faisabilité d’extraire des informations de surface des courbes lumineuses, qui dépendent de la couverture nuageuse. À l’étape 3.5.1, les valeurs relatives des PC peuvent être différentes d’une exoplanète à l’autre. Dans le cas de la Terre, les deux premiers PC dominent les variations de la courbe lumineuse et correspondent à des nuages et à une surface indépendants de la surface (Fan et al., 2019)13. Ils ont des valeurs singulières c…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ces travaux ont été en partie soutenus par le Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, sous contrat avec la NASA. YLY reconnaît le soutien du Virtual Planetary Laboratory de l’Université de Washington.
Materials
| Python 3.7 with anaconda and healpy packages | Other programming environments (e.g., IDL or MATLAB) also work. |
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