Name: surface mapping of earth-like exoplanets using single point light curves
Uploaded: 2020-05-10T12:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Surface Mapping of Earth-like Exoplanets using Single Point Light Curves at JoVE.com

Questo lavoro è stato in parte supportato dal Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, sotto contratto con la NASA. YLY riconosce il supporto del Virtual Planetary Laboratory dell'Università di Washington.

1. Configurazione della programmazione
<ol><li>Impostare l'ambiente di programmazione per il codice allegato. È necessario un computer con sistema operativo Linux, poiché il pacchetto healpy non è disponibile su Windows. Il codice non è computazalmente costoso, quindi un normale personal computer può gestire il protocollo.</li>
	<li>Seguire le istruzioni (https://docs.anaconda.com/anaconda/install/linux/) per installare Anaconda con Python 3.7 nel sistema, quindi utilizzare i seguenti comandi nel terminale per con...

<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. 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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>

Un requisito critico del protocollo è la fattibilità di estrarre informazioni sulla superficie dalle curve di luce, che dipende dalla copertura del cloud. Nel passaggio 3.5.1, i valori relativi dei PC possono essere diversi tra gli esopianeti. Nel caso della Terra, i primi due PC dominano le variazioni della curva di luce e corrispondono a nubi e superfici indipendenti dalla superficie (Fan et al. 2019)13. Hanno valori singolari comparabili in modo che le informazioni sulla superficie possano es...

Identificare mondi abitabili è uno degli obiettivi finali dell'astrobiologia1. Dal primo rilevamento2,più di 4000 esopianeti sono stati confermati fino adoggi 3 con un certo numero di analoghi terrestri (ad esempio, TRAPPIST-1e)4. Questi pianeti hanno proprietà orbitali e planetarie simili a quelle della Terra, e quindi sono potenzialmente abitabili. Valutare la loro abitabilità da osservazioni limitate è essenziale in questo contesto. Sulla base della conoscenza della vita sulla Terra, i sistemi geologici e climatici sono fondamentali per l'abitabilità, che può quindi servire come biofirme. In linea di principio, le caratteristiche di questi sistemi potevano essere osservate da lontano anche quando un pianeta non poteva essere risolto spazialmente meglio di un singolo punto. In questo caso, identificare le caratteristiche geologiche e i sistemi climatici dalle curve di luce a punto singolo è essenziale quando si valuta l'abitabilità degli esopianeti. La mappatura superficiale di questi esopianeti diventa urgente.
Nonostante la convoluzione tra la geometria di visualizzazione e le caratteristiche spettrali, le informazioni sulla superficie di un esopianeta sono contenute nelle sue curve di luce a punto singolo risolte nel tempo, che possono essere ottenute da una distanza e derivate con osservazioni sufficienti. Tuttavia, la mappatura superficiale bidimensionale (2D) di esopianeti potenzialmente abitabili simili alla Terra è impegnativa a causa dell'influenza delle nuvole. I metodi di recupero delle mappe 2D sono stati sviluppati e testati utilizzando curve di luce simulate espettri noti 5,6,7,8, ma non sono stati applicati a osservazioni reali. Inoltre, nelle analisi delle osservazioni degli esopianeti ora e nel prossimo futuro, le ipotesi degli spettri caratteristici possono essere controverse quando le composizioni superficiali planetarie non sono ben vincolate.
In questo articolo, dimostriamo una tecnica di mappatura delle superfici per esopianeti simili alla Terra. Utilizziamo SVD per valutare e separare le informazioni da diverse fonti contenute in curve di luce multi-lunghezza d'onda senza ipotesi di spettri specifici. In combinazione con la geometria di visualizzazione, presentiamo la ricostruzione delle mappe di superficie utilizzando informazioni superficiali tempestivamente risolte ma contorte spazialmente. Allo scopo di dimostrare questo metodo, vengono analizzate le osservazioni a punto singolo a più lunghezze d'onda di due anni della Terra ottenute dal Deep Space Climate Observatory/Earth Polychromatic Imaging Camera (DSCOVR/EPIC; www.nesdis.noaa.gov/DSCOVR/spacecraft.html). Usiamo la Terra come esopianeta proxy per valutare questo metodo perché le osservazioni attualmente disponibili degli esopianeti non sono sufficienti. Alleghiamo il codice con la carta come esempio. È sviluppato sotto python 3.7 con pacchetti anaconda e healpy, ma la matematica del protocollo può essere fatta anche in altri ambienti di programmazione (ad esempio, IDL o MATLAB).

<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

La risoluzione spaziale delle caratteristiche degli esopianeti dalle osservazioni a punto singolo è essenziale per valutare la potenziale abitabilità degli esopianeti. L'obiettivo finale di questo protocollo è determinare se questi mondi planetari ospitano caratteristiche geologiche e /o sistemi climatici. Presentiamo un metodo per estrarre informazioni da curve di luce a punto singolo multi-lunghezza d'onda e recuperare mappe di superficie. Utilizza la decomposizione del valore singolare (SVD) per separare le fonti che contribuiscono alle variazioni della curva di luce e dedurre l'esistenza di sistemi climatici parzialmente nuvolosi. Attraverso l'analisi delle serie temporali ottenute dall'SVD, le attribuzioni fisiche dei componenti principali (PC) potrebbero essere dedotte senza ipotesi di proprietà spettrali. Combinandosi con la geometria di visualizzazione, è possibile ricostruire le mappe di superficie se si riscontra che uno dei PC contiene informazioni sulla superficie. La degenerazione originata dalla convoluzione della geometria dei pixel e delle informazioni sullo spettro determina la qualità delle mappe superficiali ricostruite, il che richiede l'introduzione della regolarizzazione. Allo scopo di dimostrare il protocollo, vengono analizzate le curve di luce a più lunghezze d'onda della Terra, che funge da esopianeta proxy. Viene presentato il confronto tra i risultati e la verità fondamentale per mostrare le prestazioni e la limitazione del protocollo. Questo lavoro fornisce un punto di riferimento per la futura generalizzazione delle applicazioni degli esopianeti.

Usiamo curve di luce a punto singolo multi-lunghezza d'onda della Terra per dimostrare il protocollo e confrontiamo i risultati con la verità del suolo per valutare la qualità della mappatura della superficie. L'osservazione qui usata è ottenuta da DSCOVR/EPIC, che è un satellite situato vicino al primo punto lagrangiano (L1) tra la Terra e il Sole che scatta immagini a dieci lunghezze d'onda della faccia illuminata dal sole della Terra. Due anni (2016 e 2017) di osservazioni sono utilizzati per questa dimostrazione,...

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

Il protocollo estrae informazioni dalle curve di luce degli esopianeti e costruisce le loro mappe di superficie. Usa curve di luce della Terra, che funge da esopianeta proxy, per dimostrare l'approccio.

Mappatura superficiale di esopianeti simili alla Terra utilizzando curve di luce a punto singolo

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

Questo protocollo può essere utilizzato per risolvere spazialmente le caratteristiche degli esopianeti dalle osservazioni a punto singolo ed è essenziale per valutare la potenziale abitabilità degli esopianeti. Questa tecnica può essere utilizzata per ricostruire mappe superficiali bidimensionali dell'esopianeta simile alla Terra. E questa è la prima tecnica testata con osservazioni reali usando la Terra come proxy.La matematica di questa tecnica è semplice e può essere facilmente regolata per altre osservazioni. Non è necessario seguire rigorosamente gli script di codifica. La dimostrazione visiva di questa tecnica è importante perché un'immagine vale più di mille parole.Dopo aver istituito l'ambiente di programmazione per il codice allegato, inserisci il comando per installare Anaconda con Python 3.7 nel sistema. Dopo aver impostazione l'ambiente di programmazione, ottenere curve di luce a più lunghezze d'onda, visualizzare la geometria dalle osservazioni ed eseguire la serie di tempo del plottaggio. py per visualizzare i dati e verificarne le qualità.Immettete quindi il comando per generare una figura geometrica. Per estrarre le informazioni sulla superficie della curva di luce, eseguite la normalizzazione. py.L'uscita viene salvata in curva di luce normalizzata.csv. Immettete il comando per visualizzare le curve di luce normalizzate. Verrà creata una figura di curva di luce normalizzata.Immettete il comando per scomporre le curve di luce normalizzate. Le serie temporali risultanti, i valori singolari e i componenti principali verranno salvati nei file di output appropriati in formato CSV. Utilizzare i comandi per visualizzare il risultato della decomposizione del valore singolare.Verranno generate cifre relative ai valori singolari e alle componenti principali. Analizzare i contributi e le corrispondenti serie temporali dei componenti principali per determinare quello che contiene informazioni sulla superficie e confrontare i valori singolari nella diagonale della matrice di valori singolari. Si prevede che un esopianeta parzialmente torbido simile alla Terra abbia due valori singolari dominanti comparabili.Per confermare la selezione del componente principale, immettete il comando per ottenere gli spettri di potenza delle serie temporali di ogni componente principale. Gli spettri di potenza verranno salvati nel periodogramma.csv. Immettere il comando per visualizzare i parogrammi e confermare la selezione del componente principale.Verrà generata una figura di periodogramma. Il codice di plottaggio corrente aggiunge linee tratteggiate che rappresentano i cicli annuali, semestrali, diurni e semestrali come riferimento. Selezionate il componente principale che contiene le informazioni sulla superficie e le relative serie temporali.Per costruire una mappa di superficie planetaria, usate il comando casuale HEALPix per visualizzare il metodo di pixelazione. Verrà creata una figura casuale HEALPix. Il parametro n subside alla riga 17 può essere modificato per diverse risoluzioni.Per determinare lo spessore di ogni pixel, immettere il comando. L'output verrà salvato come w. npz a causa delle sue dimensioni.Chang il valore n subside alla riga 23 a caso per le altre risoluzioni della mappa recuperata. Usa il peso della trama. py per visualizzare il peso.Nella cartella weight verranno create diverse figure. L'unione delle figure consentirà di illustrazione di come cambia il peso di ogni pixel con il tempo. Usa la regressione lineare.py per risolvere il problema della regressione lineare. Il risultato dei valori dei pixel verrà salvato nel valore pixel. csv.Il valore di Lambda alla linea 16 può essere modificato per diversi punti di forza della regolarizzazione a caso. Quindi esegui la mappa della trama. py per costruire le mappe recuperate utilizzando diversi parametri di regolarizzazione.Verranno generate tre mappe. La relazione tra gli indici di pixel e le loro posizioni su ogni mappa è descritta nel documento HEALPix. Per calcolare la matrice di covarianza di ogni pixel, eseguire la covarianza.py. Il risultato verrà salvato in covarianza. npz a causa delle sue dimensioni.Per visualizzare la matrice di covarianza e mappare l'incertezza alla mappa recuperata, eseguite la covarianza del plottaggio. py. Si creeranno una covarianza e una cifra di incertezza.Qui, vengono mostrate osservazioni a più lunghezze d'onda del campione della Terra a 927 tempo universale coordinato, 8 febbraio 2017. Qui, si possono osservare le serie temporali delle due componenti principali dominanti delle curve di luce a più lunghezze d'onda. Le serie temporali per la seconda componente principale mostrano una morfologia più regolare con una variazione giornaliera approssimativamente costante e un ciclo diurno più forte nel suo spettro di potenza rispetto alla prima componente principale.È quindi possibile costruire una mappa di superficie di questo esopianeta proxy costituita dal valore del secondo componente principale in ogni pixel. Rispetto alla verità fondamentale della Terra, la mappa ricostruita recupera tutti i principali continenti dopo aver separato le informazioni di superficie dalle nuvole. I risultati per l'emisfero australe sono peggiori di quelli osservati per l'emisfero settentrionale a causa della copertura nuvolosa sugli oceani meridionali.L'incertezza di ogni valore di pixel è dell'ordine del 10% di quello nella mappa recuperata, suggerendo una buona qualità della mappatura della superficie e un risultato positivo. Il requisito critico per l'applicazione di questo protocollo a un'analisi futura è la conferma che le informazioni sulla superficie possono essere estratte dalle curve di luce. Questa tecnica funge da punto di riferimento nella mappatura superficiale degli esopianeti e può essere migliorata con altri metodi di scompenso e regolarizzazione per nuove osservazioni.

Research

JoVE Journal

Engineering

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