银河系中心星场

时域研究

祝伟（清华大学）

CSST系外行星（部分）：东苏勃（北大），刘慧根（南大），毛淑德（清华），余聪（中山），周济林（南大）

CSST科学数据处理-科学研究联合研讨会

2021-5-30，重庆

讨论&问题

• 主巡天相机60s曝光测光精度可能受快门效应影响，快门开合需1.5s，需要做好快门函数修正（郑振亚）
• 导星相机曝光时间可变，不只有150s一个选择（王维，刘超）
• CSST导星读出频率为100Hz
• 相对测光数据在1级数据之前，可以认为是0.7级，所以需要针对性处理（刘超）
• Astrometric microlensing是否可观测到（刘超）？Astrometry精度可以做到~0.5 mas@20 mag (300s exposure)；不同曝光不容易叠加，因为很难对准到同一个像素上，但是是否可对不同曝光分别做天测，然后叠加相对的astrometry？

提纲

• 核球天区时域研究（微引力透镜巡天）
• CSST机遇和挑战
• 其他时域研究

Figure adapted from Zhu & Dong (2021)

系外行星探测

• 微引力透镜主要探测冷(\(\gtrsim1\) AU) 行星，特别是小质量行星。

Transit: ~3000

RV: ~900

Microlensing: ~100

• 最小质量星云模型: \(\Sigma(r) \propto r^{-3/2} \) \(\longrightarrow\) 质量(1-10 AU) > 质量(0.1-1 AU).

冷行星的重要性

Mimimum mass extra-solar nebula

Mimimum mass solar nebula

Weidenschilling (1977); Hayashi (1981); Chiang & Laughlin (2013)

• 成熟行星系统:

微引力透镜

Paczynski (1986); Mao & Paczynski (1991)

\(t_{\rm E} \sim 30{\rm days} \left(\frac{M_{\rm L}}{M_\odot}\right)^{1/2} \)

微引力透镜探测系外行星

图片来自杨弘靖（清华）

“流浪行星”

• 透镜质量\(M_{\rm L} \sim 300 M_\oplus \left(\frac{t_{\rm E}}{1~\rm day}\right)^2 \)

• “流浪” = 距离主星距离超过~15 AU

• 银河系中可能存在与恒星数目相当的流浪行星 （KMTNet+OGLE约1例/年）

现有的微引力透镜观测

巡天组

• 波兰OGLE：1.3m@智利
• 日本/新西兰MOA：1.8m@新西兰
• 韩国KMTNet：1.6m@智利，1.6m@南非，1.6m@澳大利亚

• 后随观测：\(\leq 1\)米级全自动望远镜（LCO）或爱好者望远镜（microFUN）

地面微引力透镜巡天: KMTNet

• 3台望远镜，4 deg\(^2\)视场；
• 数亿颗恒星，每\(\geq\)15分钟曝光一次；
• 每年3000例微引力透镜事件，约30颗系外行星；
• 探测极限：行星/恒星质量比\(q\sim10^{-5}\)
  • ref: 地球\(q=3\times10^{-6}\)。

1 deg

银河系中心

从地面到太空

• 更高分辨率：分辨单个恒星
• 更深观测：
  • 更多恒星\(\rightarrow\)更多微引力透镜事件
  • 更小恒星\(\rightarrow\)探测更小质量的行星

Images from Pietrukowicz et al. (2019)

核球恒星数密度

WFPC2 F814W image of the Baade's window (Holtzman et al. 1998)

• 2420s总曝光（20s + 200s\(\times\)2 + 1000s\(\times\)2）
• PSF photometry x 3

核球恒星数密度

• 典型微引力透镜事件的透镜天体\(M_{\rm L}\sim0.3-0.5 M_\odot\)
• 地面典型源\(\sim M_\odot\)
• \(\Sigma_{\rm disk}/\Sigma_{\rm bulge} \approx 1/4\)

（绝对）测光\(\rightarrow\)透镜天体质量

• 光变曲线仅提供行星/恒星质量比q
• 需要高阶效应来测定质量
  • 有限源效应（finite source effect）
  • 三角视差效应（microlensing parallax）
  • 透镜亮度（lens flux）

Yee (2015)

• 透镜事件进行时
  • Lens+Source unresolved
  • 光变曲线测量blending fraction （一般可认为是lens）
• 透镜事件发生后（>~5年时间）
  • 右图：HST imaging of OGLE-2005-BLG-0169 after 6.5 years, source-lens relative separation ~45 mas.
  • 巡天与后续观测要留有足够的时间间隔。
  • 主巡天相机 or MCI?

Bennett et al. (2015)

\(I_{\rm L}\approx I_{\rm S} \approx 20.5 \)

（绝对）测光\(\rightarrow\)透镜天体质量

空间微引力透镜巡天计划WFIRST/Roman

• 2 deg\(^2\), 15min cadence, NIR, 6x72 days;
• ~30,000微引力透镜事件，~1400颗冷行星（~200颗地球质量），~500颗流浪行星，~100双黑洞系统，~\(10^5\)掩食行星。

Spergel et al. (2015); Penny et al. (2019); Montet et al. (2017)

CSST微引力透镜巡天

（近地轨道利于短时标事件三角视差效应观测）

（光学波段利于与地面协同观测）

• CSST+WFIRST: 三角视差法直接测量透镜系统质量

（注：Euclid也有可能开展微引力透镜观测）

CSST Survey Camera

• Multi-filter imaging & slitless spectroscopy
• Field of view: 1.1 deg\(^2\)
• Pixel size: 0.074"
• Tracking precision: 17 mas
• Image quality \(R_{\rm EE80}\): 0.15"@632.8 nm
• Point source sensitivity ~25.5\(^{\rm m}\) with 300s integration.

• Tentative field location: (Ra=17:56:51, Dec=-29:34:45).
• Sun-angle & Moon-angle constraints \(\longrightarrow\) Observing window >20-40 min/(~95 min orbit) & fast-slew mode (\(0.35^\circ\)/s) to make use of the rest of the time.
• Survey duration: 3 months.
• Each pointing: 1 min exposure, 40 s readout & slew (vs. guiding camera's 150s exposure)
• Each block: 4 pointings (1.2 deg\(^2\)), 400 s.
• One complete field visit: 3 blocks (3.6 deg\(^2\)), 20 min.
• Total # of exposures/field: ~2880

CSST orbit data from Youhua Xu (NAOC)

A Tentative Survey Strategy

• Expected yield (3 months, 3.6 deg\(^2\)):
  • ~100 cold exoplanets (1-10 AU);
  • ~40 free-floating planets (FFPs);
  • Transiting planets with \(P\lesssim30\) days.
• Each Roman microlensing campaign (72 days, 2 deg\(^2\)):
  • ~200 cold planets (Penny et al. 2019);
  • ~80 FFPs (Johnson et al. 2020);
  • \(\gtrsim10^4\) transiting planets (Montet et al. 2017).
  • Key component of the US$3.2B Roman telescope (\(\geq2026\)).

Survey Expected Yield

Figure from Penny et al. (2019)

其他时域研究：掩食观测

• 双星或系外行星
• HST Sagittarius Window Eclipsing Extrasolar Planet Search  (SWEEPS): 7天连续观测，18万颗星，发现16个行星候选体（Sahu et al. 2006, 2007）
• （相对）测光要求：0.1%@20 mag（海王星大小）, 1%@20mag（木星大小）

15'

其他时域研究：恒星光变

• （巨星）星震，变星，双星
• \(\nu_{\rm max}\) & \(\Delta \nu \) \(\rightarrow\) \(M_\star\) & \(R_\star\)
• Kepler: ~14,000 Red Giants
• ~0.1% on \(\lesssim16^{\rm m}\)
• 观测时间基线长于1个月

Figure from Chaplin & Miglio (2013)

Gould et al. (2015): 1M stars with Roman.

其他时域观测：太阳系天体

HST ACS 6hr exposures (Bernstein et al. 2004)

• 银心方向接近黄道面
• KBO自行速度：~1度/月
• HST Advanced Camera for Surveys (ACS)观测 (Bernstein et al. 2004)
• HST Fine Guidance Sensors (FGS) 40Hz观测occultation events (Schlichting et al. 2009, 2012)
  • <1 km KBOs.
• 特殊的数据处理要求

观测要求

• 观测间隔（cadence）：$$ \lesssim t_\star = \frac{\theta_\star}{\mu_{\rm rel}} = 1{\rm hr} \left(\frac{R_\star}{R_\odot}\right) \left(\frac{\mu_{\rm rel}}{5 \rm mas/yr}\right) $$
• 观测时长：\(\gtrsim3\)月
• （相对）测光精度
  • 微引力透镜（暗星，由FFP科学决定）：\(\geq 0.1\)mag
  • 掩食观测：0.1%@20 mag（海王星大小）, 1%@20mag（木星大小）
  • 恒星科学（巨星星震，变星）：~0.1%
• 要求：
  • 恒星星等范围大\(\rightarrow\)对不同亮度星做PSF测光要求不同的PSF模型
  • 协调导星望远镜150秒曝光和主相机60s曝光

总结

• 核球时域巡天搜寻系外行星
• CSST巡天望远镜非常适合做核球区域时域巡天
  • \(\gtrsim3\)月，多波段测光
  • 微引力透镜观测，掩食观测，恒星星震，太阳系小天体
• 对观测模式和数据处理系统的要求
  • 导星相机？
  • 如何充分利用剩余观测时间？
  • 测光精度：绝对测光和相对测光