Name: surface mapping of earth-like exoplanets using single point light curves
Uploaded: 2020-05-10T12:30:00
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この研究の一部は、NASAとの契約の下、カリフォルニア工科大学ジェット推進研究所によって支えられていました。YLYは、ワシントン大学のバーチャルプラネタリー研究所の支援を認めています。

1. プログラミングのセットアップ
<ol><li>添付コードのプログラミング環境を設定します。Windows では、このシステムの修復パッケージを使用できないので、Linux オペレーティング システムを搭載したコンピュータが必要です。コードは計算負荷が高くないので、通常のパーソナル コンピュータはプロトコルを処理できます。</li>
	<li>指示に従って(https://docs.anaconda.com/anaconda/install/linux/)、Pytho...

<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>

プロトコルの重要な要件の 1 つは、クラウドのカバレッジに依存する光カーブからサーフェス情報を抽出する可能性です。ステップ3.5.1では、PCの相対値が系外惑星によって異なる場合があります。地球の場合、最初の2台のPCは、光曲線の変動を支配し、表面に依存しない雲と表面に対応する(Fan et al. 2019)13。これらの値は、手順 3.5.2 と 3.5.3 に従ってサーフェス情報を分離で...

居住可能な世界を特定することは、アストロバイオロジー1の究極の目標の1つです。最初の検出2以来、4000以上の系外惑星が、多数の地球アナログ(例えばTRAPPIST-1e)4で現在までに確認されている。これらの惑星は、地球と同様の軌道および惑星特性を有するため、潜在的に居住可能である。限られた観察から居住性を評価することは、この文脈において不可欠です。地球上の生命の知識に基づいて、地質学的および気候システムは居住性にとって重要であり、したがってバイオシグネチャとして役立つ可能性があります。原理的には、惑星が1つの点よりも空間的にうまく解決できなかった場合でも、これらのシステムの特徴は遠くから観察することができた。この場合、系外惑星の居住性を評価する際には、単一点光曲線から地質学的特徴と気候システムを特定することが不可欠です。これらの系外惑星の表面マッピングが緊急になる。
視差ジオメトリとスペクトル特徴の間の畳み込みにもかかわらず、系外惑星の表面の情報は、距離から得ることができる時間分解された単一点光曲線に含まれており、十分な観測で導き出されます。しかし、雲の影響により、地球に似た外惑星の2次元(2D)表面マッピングは困難です。2Dマップを取得する方法は、シミュレートされた光曲線と既知のスペクトル5、6、7、8を使用して開発され、テストされていますが、実際の観測には適用されていません。さらに、現在および近い将来の系外惑星観測の分析では、惑星表面組成が十分に制約されていない場合、特徴的なスペクトルの仮定が議論の余地がある。
本論文では、地球系外惑星の表面マッピング技術を示す。SVDを使用して、特定のスペクトルを仮定することなく、多波長光曲線に含まれる異なるソースからの情報を評価し、分離します。表示ジオメトリと組み合わせることで、時間的に解決されたが空間的に複雑なサーフェス情報を使用して、サーフェス マップの再構築を提示します。この方法を実証するために、深宇宙気候観測所/地球多色画像カメラ(DSCOVR/EPIC;www.nesdis.noaa.gov/DSCOVR/spacecraft.html)が得た地球の2年間の多波長単一点観測を解析する。現在利用可能な系外惑星の観測では十分ではないので、この方法を評価するために地球を代理系外惑星として使用しています。例として、この紙にコードを添付します。これは、アナコンダとhealpyパッケージを持つpython 3.7の下で開発されていますが、プロトコルの数学は他のプログラミング環境(例えば、IDLまたはMATLAB)でも行うことができます。

<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

単一点観測から系外惑星の特徴を空間的に解決することは、系外惑星の潜在的な居住性を評価するために不可欠です。このプロトコルの最終的な目標は、これらの惑星世界が地質学的特徴および/または気候システムを収容しているかどうかを判断することです。多波長の単一点光曲線から情報を抽出し、サーフェスマップを取得する方法を紹介します。これは、特異値分解(SVD)を使用して、光曲線の変化に寄与する光源を分離し、部分的に曇った気候システムの存在を推測します。SVDから得られた時系列の解析を通じて、主成分(PC)の物理的な帰属は、スペクトル特性を仮定することなく推測することができる。表示ジオメトリと組み合わせることで、いずれかの PC にサーフェス情報が含まれていることが判明した場合に、サーフェス マップを再構築できます。ピクセルジオメトリの畳み込みから生じたデジェネラシーとスペクトル情報は、再構築されたサーフェスマップの品質を決定し、正規化の導入が必要です。プロトコルを実証するために、プロキシ系外惑星として機能する地球の多波長光曲線を分析する。結果とグランドトゥルースの比較は、プロトコルのパフォーマンスと制限を示すために提示されます。この研究は、太陽系外惑星アプリケーションの将来の一般化のためのベンチマークを提供します。

私たちは、地球の多波長単一点光曲線を使用してプロトコルを実証し、その結果を地上の真理と比較して、表面マッピングの品質を評価します。ここで使用される観測は、地球と太陽の間の最初のラグランジ点(L1)の近くに位置する衛星であるDSCOVR/EPICが、地球の日当たりの良い顔の10波長で画像を撮ることによって得られます。このデモンストレーションには2年間(2016年と2017年)の観測が使用...

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

このプロトコルは、系外惑星の光曲線から情報を抽出し、その表面マップを構築します。これは、プロキシ系外惑星として機能する地球の光曲線を使用して、アプローチを実証します。

単一点光曲線を用いた地球系外惑星の表面マッピング

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

このプロトコルは、単一点観測から系外惑星の特徴を空間的に解決するために使用することができ、系外惑星の潜在的な居住性を評価するために不可欠である。この技術は、地球に似た系外惑星の2次元表面地図を再構築するために使用することができます。そして、これは地球を代理として実際の観測でテストされている最初の技術です。この手法の数学は簡単で、他の観測値に合わせて簡単に調整できます。コーディングスクリプトに厳密に従う必要はありません。1枚の絵は千の言葉に値するので、このテクニックの視覚的なデモンストレーションは重要です。アタッチされたコードのプログラミング環境を設定したら、コマンドを入力して、Python 3.7 の Anaconda をシステムにインストールします。プログラミング環境を設定した後、多波長の光カーブを取得し、観測値からジオメトリを表示し、プロット時系列を実行します。データを視覚化し、その品質をチェックするpyコマンド。次に、ジオメトリの図形を生成するコマンドを入力します。ライト カーブ サーフェス情報を抽出するには、正規化を実行します。py コマンド。出力は正規化されたライト カーブ.csvに保存されます。正規化されたライト カーブを視覚化するコマンドを入力します。正規化されたライトカーブの図が作成されます。正規化されたライト カーブを分解するコマンドを入力します。結果の時系列、単数の値、および主成分は、csv 形式で適切な出力ファイルに保存されます。コマンドを使用して、単数形値分解結果を視覚化します。単数値と主成分の数値が生成されます。主成分の寄与と対応する時系列を分析して、サーフェス情報を含む成分を特定し、単数値行列の対角線で単数値を比較します。地球のような部分的に曇った系外惑星は、2つの同等の支配的な特異値を有すると予想される。主成分の選択を確認するには、各主成分の時系列の電力スペクトルを取得するコマンドを入力します。パワースペクトルは、ピリオドグラム.csvに保存されます。ピリオドグラムを視覚化し、主成分の選択を確認するコマンドを入力します。ピリオドグラムの数値が生成されます。現在のプロット コードは、年間、半年、日単位、および半日の周期を表す破線を追加します。サーフェス情報とそれに対応する時系列を含む主成分を選択します。惑星サーフェスマップを構築するには、HEALPix random コマンドを使用して、ピクセル化法を視覚化します。ヒールピックスのランダムな数字が作成されます。17 行目のパラメータ n の補助は、さまざまな解像度に応じて変更できます。各ピクセルのウェイトを決定するには、コマンドを入力します。出力は、そのサイズのためにw. npzとして保存されます。取得したマップの他の解像度に応じて、23 行目の n の沈静化値を示します。プロットの重みを使用します。重量を視覚化するpyコマンド。重みフォルダには多数の図形が作成されます。図形をマージすると、各ピクセルのウェイトが時間とともにどのように変化するかを示すことができます。線形回帰を使用します。線型回帰の問題を解決するために py コマンドを実行します。ピクセル値の結果はピクセル値に保存されます。csv ファイル。行 16 の Lambda の値は、適切な正規化の異なる強度に応じて変更できます。次に、プロット マップを実行します。異なる正規化パラメータを使用して取得されたマップを構築するpyコマンド。3 つのマップが生成されます。ピクセル インデックスと各マップ上の位置の関係については、HEALPix ドキュメントで説明します。各ピクセルの共分散行列を計算するには、共分散を実行します。py コマンド。結果は共分散で保存されます。そのサイズに起因するnpz。共分散行列を視覚化し、不確定性を取得したマップにマップするには、プロット共分散を実行します。py コマンド。共分散と不確実性の数値が 1 つ作成されます。ここでは、927協定世界時における地球の多波長観測のサンプル、2017年2月8日が示されている。ここで、多波長光曲線の2つの主成分の時系列が観察できる。第2主成分の時系列は、第1主成分よりも、ほぼ一定の日次変動と強い日次変動と強い日周期を持つより規則的な形態を示す。このプロキシ系外惑星の表面地図は、各画素における第2の主成分の値から成る。地球の地上の真実と比較して、再構築された地図は、雲から表面情報を分離した後、すべての主要な大陸を回復します。南半球の結果は、南洋上の雲の覆いのために北半球で観察されたものよりも悪いです。各ピクセル値の不確実性は、取得したマップ内のその 10% の順序で、サーフェス マッピングの品質が良好で、結果が正であることを示しています。このプロトコルを将来の解析に適用する際の重要な要件は、サーフェス情報が光曲線から抽出できることを確認することです。この技術は、系外惑星の表面マッピングのベンチマークとして機能し、他の代償不全および新しい観測のための規則化方法で改善される可能性がある。

Research

JoVE Journal

Engineering

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

白色光干渉法による表面改質のキャラクタリゼーション：イオンスパッタリング、レーザーアブレーション法、およびトライボロジー実験における応用

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

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

PeakForce定量的ナノメカニカルプロパティマッピングを使用した赤色光光受容体の原子間力顕微鏡

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EBL作製したナノ構造基板を用いた生体分子のラマン分光検出の強化

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

シンクロトロンベースのハードX線マイクロトモグラフィーを用いて電池の故障解析

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

2次元チェッカーボード位相格子を使用して複数の方向に沿ってX線ビームコヒーレンスの測定

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

プラズモニックナノ粒子を用いてグラフェン酸化物の可視光誘起削減

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

リモートマイクプローブを用いた非定常面圧の測定

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

マルチスケール三次元マイクロエレクト​​ロニクスパッケージを調査するために放射光マイクロトモグラフィーを用いて、

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

プラズマトロン内のアブレーション材料試験中の放射分光境界層調査

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

微細加工を用いたイオンを捕集する実験方法表面イオン トラップ

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