Name: surface mapping of earth-like exoplanets using single point light curves
Uploaded: 2020-05-10T12:30:00
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这项工作部分得到加州理工学院喷气推进实验室的支持，该实验室与美国宇航局签订合同。YLY 感谢华盛顿大学虚拟行星实验室的支持。

1. 编程设置
<ol><li>为附加代码设置编程环境。需要一台具有 Linux 操作系统的计算机，因为 Windows 上没有修复包。代码的计算费用并不昂贵，因此普通个人计算机可以处理协议。</li>
	<li>按照说明 （https://docs.anaconda.com/anaconda/install/linux/） 将 Anaconda 与 Python 3.7 安装到系统中，然后在终端中使用以下命令来设置编程环境： $ conda 创建 - 命名 myenv python = 3.7 $ conda 激活 myenv $ 康达安装阿纳康达<br...

<ol>
	<li>Schwieterman, E. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Exoplanet+Biosignatures:+A+Review+of+Remotely+Detectable+Signs+of+Life.">Exoplanet Biosignatures: A Review of Remotely Detectable Signs of Life.</a> Astrobiology. 18 (6), 663-708 (2018).</li><li>Campbell, B., Walker, G. A. H., Yang, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Search+for+Substellar+Companions+to+Solar-type+Stars.">A Search for Substellar Companions to Solar-type Stars.</a> The Astrophysical Journal. 331, 902 (1988).</li><li>NASA. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> NASA Exoplanet Archive (2019) Confirmed Planets Table. , (2019).</li><li>Gillon, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Seven+temperate+terrestrial+planets+around+the+nearby+ultracool+dwarf+star+TRAPPIST-1.">Seven temperate terrestrial planets around the nearby ultracool dwarf star TRAPPIST-1.</a> Nature. 542 (7642), 456-460 (2017).</li><li>Kawahara, H., Fujii, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Global+Mapping+of+Earth-like+Exoplanets+from+Scattered+Light+Curves.">Global Mapping of Earth-like Exoplanets from Scattered Light Curves.</a> The Astrophysical Journal. 720 (2), 1333 (2010).</li><li>Fujii, Y., Kawahara, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mapping+Earth+Analogs+from+Photometric+Variability:+Spin-Orbit+Tomography+for+Planets+in+Inclined+Orbits.">Mapping Earth Analogs from Photometric Variability: Spin-Orbit Tomography for Planets in Inclined Orbits.</a> The Astrophysical Journal. 755 (2), 101 (2012).</li><li>Cowan, N. B., Fujii, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mapping+Exoplanets.">Mapping Exoplanets.</a> Handbook of Exoplanets. , (2018).</li><li>Farr, B., Farr, W. M., Cowan, N. B., Haggard, H. M., Robinson, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=exocartographer:+A+Bayesian+Framework+for+Mapping+Exoplanets+in+Reflected+Light.">exocartographer: A Bayesian Framework for Mapping Exoplanets in Reflected Light.</a> The Astronomical Journal. 156 (4), 146 (2018).</li><li>Lomb, N. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Least-Squares+Frequency+Analysis+of+Unequally+Spaced+Data.">Least-Squares Frequency Analysis of Unequally Spaced Data.</a> Astrophysics and Space Science. 39 (2), 447 (1976).</li><li>Scargle, J. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Studies+in+astronomical+time+series+analysis.+II.+Statistical+aspects+of+spectral+analysis+of+unevenly+spaced+data.">Studies in astronomical time series analysis. II. Statistical aspects of spectral analysis of unevenly spaced data.</a> The Astrophysical Journal. 263, 835 (1982).</li><li>G&#243;rski, K. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=HEALPix:+A+Framework+for+High-Resolution+Discretization+and+Fast+Analysis+of+Data+Distributed+on+the+Sphere.">HEALPix: A Framework for High-Resolution Discretization and Fast Analysis of Data Distributed on the Sphere.</a> The Astrophysical Journal. 622 (2), 759 (2005).</li><li>Jiang, J. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Using+Deep+Space+Climate+Observatory+Measurements+to+Study+the+Earth+as+an+Exoplanet.">Using Deep Space Climate Observatory Measurements to Study the Earth as an Exoplanet.</a> The Astronomical Journal. 156 (1), 26 (2018).</li><li>Fan, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Earth+as+an+Exoplanet:+A+Two-dimensional+Alien+Map.">Earth as an Exoplanet: A Two-dimensional Alien Map.</a> The Astrophysical Journal Letters. 882 (1), 1 (2019).</li><li>Cowan, N. B., Strait, T. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Determining+Reflectance+Spectra+of+Surfaces+and+Clouds+on+Exoplanets.">Determining Reflectance Spectra of Surfaces and Clouds on Exoplanets.</a> The Astrophysical Journal Letters. 765 (1), 17 (2013).</li><li>Fujii, Y., Lustig-Yaeger, J., Cowan, N. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rotational+Spectral+Unmixing+of+Exoplanets:+Degeneracies+between+Surface+Colors+and+Geography.">Rotational Spectral Unmixing of Exoplanets: Degeneracies between Surface Colors and Geography.</a> The Astronomical Journal. 154 (5), 189 (2017).</li><li>Kawahara, H., Fujii, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mapping+Clouds+and+Terrain+of+Earth-like+Planets+from+Photomertic+Variability:+Demonstration+with+Planets+in+Face-on+Orbits.">Mapping Clouds and Terrain of Earth-like Planets from Photomertic Variability: Demonstration with Planets in Face-on Orbits.</a> The Astrophysical Journal Letters. 739 (2), 62 (2011).</li><li>Kawahara, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Frequency+Modulation+of+Directly+Imaged+Exoplanets:+Geometric+Effect+as+a+Probe+of+Planetary+Obliquity.">Frequency Modulation of Directly Imaged Exoplanets: Geometric Effect as a Probe of Planetary Obliquity.</a> The Astrophysical Journal. 822 (2), 112 (2016).</li><li>Schwartz, J. C., Sekowski, C., Haggard, H. M., Pall &#769;e, E., Cowan, N. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Inferring+planetary+obliquity+using+rotational+and+orbital+photometry.">Inferring planetary obliquity using rotational and orbital photometry.</a> Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 457 (1), 926-938 (2016).</li></ol>

该协议的一个关键要求是从光曲线中提取表面信息的可行性，这取决于云的覆盖范围。在步骤 3.5.1 中，在系外行星之间，PC 的相对值可能不同。就地球而言，前两台PC主导光曲线变化，对应于与表面无关的云层和表面（Fan等人，2019年）13。它们具有可比较的奇异值，因此可以按照步骤 3.5.2 和 3.5.3 分隔曲面信息。对于未来对系外行星的观测，在极端情况下，无论是完全多云的还?...

确定宜居世界是天体生物学1的最终目标之一。自第一次探测2以来，4000多颗系外行星已被确认为3号行星，其中有许多地球类比（例如，TRAPPIST-1e）4。这些行星的轨道和行星性质与地球相似，因此具有潜在的可居住性。在这种情况下，从有限的观察中评估它们的可居住性至关重要。基于对地球生命知识的了解，地质和气候系统对可居住性至关重要，因此，可居住性可以作为生物特征。原则上，即使一个行星在空间上不能比单个点更好地解析，也可以从远处观测到这些系统的特征。在这种情况下，在评估系外行星的可居住性时，从单点光曲线确定地质特征和气候系统至关重要。这些系外行星的表面测绘变得紧迫。
尽管查看几何体和光谱要素之间有卷积，但系外行星表面的信息仍包含在其时间解析的单点光曲线中，该曲线可从远处获取，并获得足够的观测结果。然而，由于云层的影响，可能适合地球的系外行星的二维（2D）表面测绘具有挑战性。检索二D地图的方法已经开发和测试使用模拟光曲线和已知的光谱5，6，7，8，但这些方法尚未应用于实际观测。此外，在分析现在和近期的系外行星观测时，当行星表面成分没有受到良好约束时，特征光谱的假设可能会引起争议。
本文演示了一种地球外行星的表面测绘技术。我们使用 SVD 来评估和分离来自多波长光曲线中包含的不同来源的信息，而无需对任何特定光谱进行假设。结合查看几何，我们使用及时解析但空间复杂的表面信息来呈现曲面图的重建。为了演示这种方法，分析了深空气候观测站/地球多色成像相机（DSCOVR/EPIC;www.nesdis.noaa.gov/DSCOVR/spacecraft.html）获得的两年多波长单点地球观测结果。我们使用地球作为代理系系外行星来评估这种方法，因为目前对系外行星的观测是不够的。我们以纸张附加代码为例。它是在 python 3.7 下开发的，具有 anaconda 和 healpy 封装，但协议的数学也可以在其他编程环境（例如 IDL 或 MATLAB）中完成。

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Python 3.7 with anaconda and healpy packages</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Other programming environments (e.g., IDL or MATLAB) also work.</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

surface mapping of earth-like exoplanets using single point light curves

从单点观测中对系外行星要素进行空间解析对于评估系外行星的潜在可居住性至关重要。该协议的最终目标是确定这些行星世界是否包含地质特征和/或气候系统。我们提出了一种从多波长单点光曲线中提取信息并检索表面贴图的方法。它使用奇异值分解 （SVD） 来分离导致光曲线变化的源，并推断部分多云气候系统的存在。通过分析从SVD获得的时间序列，可以推断出主要组件（PC）的物理归属，而无需任何光谱属性的假设。结合查看几何体，如果发现其中一台 PC 包含曲面信息，则重建曲面贴图是可行的。退化源于像素几何体的卷积，频谱信息决定了重建表面图的质量，这就要求引入正则化。为了演示该协议，分析了作为代理系行星的地球多波长光曲线。提出了结果与地面真实性的比较，以表明协议的性能和局限性。这项工作为系外行星应用的未来泛化提供了基准。

我们使用地球的多波长单点光曲线来演示协议，并将结果与地面真相进行比较，以评估表面测绘的质量。此处使用的观测结果由DSCOVR/EPIC获得，这是一颗位于地球和太阳之间的第一个拉格朗日点（L1）附近的卫星，拍摄地球太阳表面十个波长的图像。两年（2016年和2017年）的观测值用于此演示，与江等人（2018年）12 和范等人（2019年）13的观测结果相同，其中提供...

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Surface Mapping of Earth-like Exoplanets using Single Point Light Curves

该协议从系外行星的光曲线中提取信息，并构造其表面图。它使用地球的光曲线，作为代理系行星，来演示这种方法。

使用单点光曲线绘制的地球样外行星的表面图

Spatially resolving exoplanet features from single-point observations is essential for evaluating the potential habitability of exoplanets. The ultimate ...

该协议可用于从单点观测中空间解析系外行星特征，对于评估系外行星的潜在可居住性至关重要。该技术可用于重建地球外行星的二维表面图。这是第一个使用地球作为代理进行真实观测测试的技术。这种技术的数学是直接的，可以很容易地调整为其他观察。不需要严格遵守编码脚本。这种技术的视觉演示很重要，因为一张图片值得一千字。为附加代码设置编程环境后，输入命令，将 Anaconda 与 Python 3.7 安装到系统中。设置编程环境后，获取多波长光曲线，从观测值查看几何图形，并运行绘图时间序列。py 命令来可视化数据并检查其质量。然后输入命令以生成几何图形。要提取光曲线表面信息，请运行规范化。py 命令。输出保存在规范化的光曲线中.csv。输入命令以可视化规范化的光曲线。将创建规范化的光曲线图。输入命令以分解规范化的光曲线。生成的时间序列、单数值和主要组件将保存在 csv 格式的适当输出文件中。使用命令可视化奇异值分解结果。将生成单数值和主要分量的数字。分析主要组件的贡献和相应的时间序列，以确定包含曲面信息的分量，并比较单数值矩阵对角线的奇异值。一颗类似地球的部分多云的系外行星预计将有两个可比较的占优势奇异值。要确认主体组件的选择，请输入命令以获取每个主组件的时间序列的功率光谱。功率光谱将保存在周期图中.csv。输入命令以可视化周期图并确认主组件的选择。将生成周期图图。当前绘图代码添加表示年度、半年、日间和半日周期的虚线，供参考。选择包含曲面信息及其相应时间序列的主要组件。要构造行星表面贴图，请使用 HEALPix 随机命令可视化像素化方法。将创建一个 HEALPix 随机图形。可以更改第 17 行的参数 n 分点，以换不同的分辨率。要确定每个像素的重量，请输入命令。输出由于其大小，将保存为 w. npz。根据检索到的地图的其他分辨率，将第 23 行的 n 分点值更改。使用绘图权重。py 命令来可视化权重。将在权重文件夹中创建许多数字。合并图形将允许说明每个像素的重量如何随时间而变化。使用线性回归。py 命令来解决线性回归问题。像素值的结果将保存在像素值中。csv 文件。Lambda 在 16 行的值可以更改，以适合不同的正则化强度。然后运行绘图映射。py 命令，以使用不同的正则化参数构造检索到的映射。将生成三张地图。HEALPix 文档中描述了像素索引及其在每个地图上的位置之间的关系。要计算每个像素的协方差矩阵，请运行协方差。py 命令。结果将保存在协方差中。npz 由于其大小。要可视化协方差矩阵，并绘制到检索到的地图的不确定性，请运行绘图协方差。py 命令。将创建一个协方差和一个不确定图。在这里，在927协调宇宙时间，2017年2月8日，地球的多波长观测样本显示。在这里，可以观察到多波长光曲线的两个主要主成分的时间序列。第二个主要组件的时间序列演示了比第一个主要组件更规律的形态，其功率谱中每天变化大致恒定，日间周期更强。然后可以构造此代理系外行星的表面图，该图图由每个像素上第二个主要分量的值组成。与地球的地面真相相比，重建后的地图在将地表信息与云层分离后，恢复了所有主要大陆。由于南半球的云层覆盖，南半球的结果比北半球的结果还要糟糕。每个像素值的不确定性在检索到的地图中为 10% 左右，这表明曲面映射质量良好，结果为正数。将该协议应用于未来分析的关键要求是确认表面信息可以从光曲线中提取。该技术作为系外行星表面测绘的基准，可采用其他补偿和新观测的正定化方法进行改进。

Research

JoVE Journal

Engineering

Characterization of Surface Modifications by White Light Interferometry: Applications in Ion Sputtering, Laser Ablation, and Tribology Experiments

白光干涉表面改性中的应用离子溅射，激光烧蚀，与摩擦学实验表征

In materials science and engineering it is often necessary to obtain quantitative measurements of surface topography with micrometer lateral resolution. ...

科研

工程学

Atomic Force Microscopy of Red-Light Photoreceptors Using PeakForce Quantitative Nanomechanical Property Mapping

冲红灯光感受器原子力显微镜使用PeakForce定量纳米机械性能映射

Atomic force microscopy (AFM) uses a pyramidal tip attached to a cantilever to probe the force response of a surface. The deflections of the tip can be ...

Surface Enhanced Raman Spectroscopy Detection of Biomolecules Using EBL Fabricated Nanostructured Substrates

表面增强拉曼光谱检测生物分子利用EBL装配纳米衬底

Fabrication and characterization of conjugate nano-biological systems interfacing metallic nanostructures on solid supports with immobilized biomolecules ...

Failure Analysis of Batteries Using Synchrotron-based Hard X-ray Microtomography

电池的使用同步为基础的硬X射线微断层故障分析

Imaging morphological changes that occur during the lifetime of rechargeable batteries is necessary to understand how these devices fail. Since the advent ...

Measurement of X-ray Beam Coherence along Multiple Directions Using 2-D Checkerboard Phase Grating

使用2-D棋盘相位光栅X射线束相干测量沿多个方向

A procedure for a technique to measure the transverse coherence of synchrotron radiation X-ray sources using a single phase grating interferometer is ...

Visible-light Induced Reduction of Graphene Oxide Using Plasmonic Nanoparticle

可见光诱导的还原氧化石墨烯的使用电浆纳米粒子

Present work demonstrates the simple, chemical free, fast, and energy efficient method to produce reduced graphene oxide (r-GO) solution at RT using ...

The Measurement of Unsteady Surface Pressure Using a Remote Microphone Probe

非定常表面压力的使用远程麦克风探头测量

Microphones are widely applied to measure pressure fluctuations at the walls of solid bodies immersed in turbulent flows. Turbulent motions with various ...

Using Synchrotron Radiation Microtomography to Investigate Multi-scale Three-dimensional Microelectronic Packages

利用同步辐射微断层调查的多尺度三维微电子封装

Synchrotron radiation micro-tomography (SR&#181;T) is a non-destructive three-dimensional (3D) imaging technique that offers high flux for fast data ...

Emission Spectroscopic Boundary Layer Investigation during Ablative Material Testing in Plasmatron

烧蚀材料在试验过程中等离子体发生器发射光谱边界层研究

Ablative Thermal Protection Systems (TPS) allowed the first humans to safely return to Earth from the moon and are still considered as the only solution ...

Experimental Methods for Trapping Ions Using Microfabricated Surface Ion Traps

利用 Microfabricated 表面离子阱捕获离子的实验方法

Ions trapped in a quadrupole Paul trap have been considered one of the strong physical candidates to implement quantum information processing. This is due ...