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

Эта работа была частично поддержана Лабораторией реактивного движения, Калифорнийским технологическим институтом, по контракту с НАСА. YLY признать поддержку виртуальной планетарной лаборатории в Университете Вашингтона.

1. Настройка программирования
<ol><li>Настройка среды программирования для прилагаемого кода. Компьютер с операционной системой Linux не требуется, так как пакет healpy недоступен на Windows. Код не является вычислительно дорогим, поэтому обычный персональный компьютер может обрабатывать проток...

<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>

Одним из важнейших требований протокола является возможность извлечения поверхностной информации из световых кривых, которая зависит от облачного покрытия. В шаге 3.5.1 относительные значения ПК могут отличаться среди экзопланет. В случае с Землей первые два ПК доминируют в вариациях к...

Выявление обитаемых миров является одной из конечных целей в астробиологии1. С момента первогообнаружения 2,более 4000 экзопланет были подтвержденына сегодняшний день 3 с рядом аналогов Земли (например, TRAPPIST-1e)4. Эти планеты имеют орбитальные и планетарные свойства, аналогичные свойствам Земли, и поэтому потенциально пригодны для жизни. В этом контексте важно оценить их обитаемость на основе ограниченных наблюдений. Основываясь на знаниях о жизни на Земле, геологические и климатические системы имеют решающее значение для обитаемости, которая поэтому может служить биоподписями. В принципе, особенности этих систем можно наблюдать на расстоянии, даже если планета не может быть решена пространственно лучше, чем одна точка. В этом случае при оценке обитаемости экзопланет важное значение имеет определение геологических особенностей и климатических систем по одноофиционные световые кривые. Поверхностное картирование этих экзопланет становится актуальным.
Несмотря на сверток между геометрией обзора и спектральными особенностями, информация о поверхности экзопланеты содержится в ее решенных по времени одночаостных световых кривых, которые могут быть получены издалека и получены с достаточными наблюдениями. Тем не менее, двумерное (2D) картирование поверхности потенциально обитаемых похожих на Землю экзопланет является сложной задачей из-за влияния облаков. Методы извлечения 2D-карт были разработаны и испытаны с использованием смоделированных кривыхсвета и известных спектров 5,6,7,8,но они не были применены к реальным наблюдениям. Кроме того, при анализе наблюдений экзопланет в настоящее время и в ближайшем будущем предположения о характерных спектрах могут быть спорными, когда составы поверхности планеты не сильно ограничены.
В этой статье мы демонстрируем метод картирования поверхности для похожих на Землю экзопланет. Мы используем SVD для оценки и отделить информацию из различных источников, которая содержится в многоволновых кривых света без предположений каких-либо конкретных спектров. В сочетании с геометрией просмотра мы представляем реконструкцию поверхностных карт с использованием своевременной, но пространственно запутанной информации о поверхности. Для демонстрации этого метода анализируются двухлетние многоволновые одночастные наблюдения Земли, полученные обсерваторией глубокого космического климата/Камерой полихромной визуализации Земли (DSCOVR/EPIC; www.nesdis.noaa.gov/DSCOVR/spacecraft.html). Мы используем Землю в качестве прокси-экзопланеты для оценки этого метода, поскольку имеющихся в настоящее время наблюдений за экзопланетами недостаточно. В качестве примера мы прикрепляем код к документу. Он разработан под python 3.7 с анакондой и healpy пакеты, но математика протокола также может быть сделано в других средах программирования (например, IDL или 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

Пространственно разрешающие особенности экзопланет с одной точки наблюдений имеет важное значение для оценки потенциальной обитаемости экзопланет. Конечная цель этого протокола заключается в том, чтобы определить, имеют ли эти планетарные миры геологические особенности и/или климатические системы. Мы представляем метод извлечения информации из многоволновых однотасовых кривых света и извлечения карт поверхности. Он использует разложение особого значения (SVD) для отдельных источников, которые способствуют изменению кривой света и сделать вывод о существовании частично облачных климатических систем. С помощью анализа тайм-ряда, полученного из СВД, физические атрибуции основных компонентов (ПК) могут быть выведены без предположений о каких-либо спектральных свойствах. В сочетании с геометрией просмотра можно реконструировать карты поверхности, если будет установлено, что один из ПК содержит информацию о поверхности. Вырождение возникло в результате свертки геометрии пикселей, а информация о спектре определяет качество реконструированных карт поверхности, что требует введения хлализации. Для демонстрации протокола анализируются многоволновые световые кривые Земли, которая служит прокси-экзопланетой. Сравнение результатов и наземной истины представлено, чтобы показать производительность и ограничение протокола. Эта работа служит ориентиром для будущего обобщения приложений экзопланет.

Мы используем многоволновые однотасные световые кривые Земли для демонстрации протокола и сравнения результатов с наземной истиной для оценки качества картирования поверхности. Наблюдение, используемое здесь, получено DSCOVR/EPIC, который является спутником, расположенным вблизи первой ...

Watch this Scientific Journal Video about Surface Mapping of Earth-like Exoplanets using Single Point Light Curves at JoVE.com

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

Протокол извлекает информацию из световых кривых экзопланет и строит их поверхностные карты. Он использует световые кривые Земли, которая служит прокси-экзопланетой, чтобы продемонстрировать подход.

Поверхностное картирование похожих на Землю экзопланет с использованием однотокных кривых света

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

Этот протокол может быть использован для пространственного разрешения особенностей экзопланет с одной точки наблюдений и имеет важное значение для оценки потенциальной обитаемости экзопланет. Этот метод может быть использован для реконструкции двумерных карт поверхности земли, как экзопланета. И это первый метод, тестируются с реальными наблюдениями с использованием Земли в качестве прокси.Математика этого метода проста и может быть легко скорректирована для других наблюдений. Не нужно строго следовать сценариям кодирования. Визуальная демонстрация этой техники важна, потому что одна картинка стоит тысячи слов.После настройки среды программирования для прилагаемого кода введите команду для установки Anaconda с Python 3.7 в систему. После настройки среды программирования, получить многоволновые кривые света, просматривать геометрию из наблюдений, и запустить график времени. py команда визуализировать данные и проверить их качества.Затем введите команду для создания фигуры геометрии. Чтобы извлечь информацию о поверхности кривой света, запустите нормализацию. py команды.Выход сохраняется в нормализованной кривой света.csv. Введите команду, чтобы визуализировать нормализованные кривые света. Будет создана нормализованная кривая света.Введите команду для разложения нормализованных кривых света. Полученные серии времени, особые значения и основные компоненты будут сохранены в соответствующих выходных файлах в формате csv. Используйте команды для визуализации результата разложения единственного значения.Будут получены данные по исключительным значениям и основным компонентам. Проанализируйте вклады и соответствующие сроки основных компонентов, чтобы определить тот, который содержит информацию о поверхности, и сравнить значения по диагонали матрицы особого значения. Ожидается, что похожая на Землю частично облачная экзопланета будет иметь два сопоставимых доминирующих значения.Чтобы подтвердить выбор основного компонента, введите команду для получения спектра мощности часовой серии каждого основного компонента. Спектры питания будут сохранены в периодограмме.csv. Введите команду, чтобы визуализировать парограммы и подтвердить выбор основного компонента.Будет сгенерирована цифра парограммы. Текущий код построения добавляет пунктирной линии, которые представляют ежегодные, полугодовые, суточные и полудневые циклы для справки. Выберите основной компонент, содержащий информацию о поверхности и соответствующие сроки.Чтобы построить планетарную карту поверхности, используйте случайную команду HEALPix для визуализации метода пикселизации. Будет создана случайная фигура HEALPix. Параметр n утихает на строке 17 может быть изменен для различных разрешений.Чтобы определить вес каждого пикселя, введите команду. Выход будет сохранен как w. npz из-за его размера.Chang n утихает значение на строке 23 в соответствии с другими разрешениями извлеченной карты. Используйте вес сюжета. py команда, чтобы визуализировать вес.В папке веса будет создан ряд цифр. Слияние цифр позволит дать иллюстрацию того, как изменяется вес каждого пикселя со временем. Используйте линейную регрессию.py команда для решения проблемы линейной регрессии. Результат значений пикселей будет сохранен в значении пикселей. csv файл.Значение Lambda на линии 16 может быть изменено для различных сильных сторон хандализации по мере необходимости. Затем запустите карту участка. py команда для построения извлеченных карт с использованием различных параметров хвастии.Будут созданы три карты. Взаимосвязь между индексами пикселей и их местоположением на каждой карте описана в документе HEALPix. Чтобы вычислить матрицу коварианса каждого пикселя, запустите коварианс.py команды. Результат будет сохранен в ковариансе. npz из-за его размера.Чтобы визуализировать матрицу коварианса и сопоставить неопределенность с извлеченной картой, запустите коварианс сюжета. py команды. Будет создана одна коварианс и одна фигура неопределенности.Здесь показаны выборочных многоволновых наблюдений Земли на 927 скоординированном универсальном времени, 8 февраля 2017 года. Здесь можно наблюдать ряд времени двух доминирующих основных компонентов многоволновых кривых света. Серия времени для второго основного компонента демонстрирует более регулярную морфологию с приблизительно постоянным ежедневным изменением и более сильным суточный цикл в своем спектре силы чем первый главным образом компонент.Затем может быть построена поверхностная карта этой прокси-экзопланеты, состоящая из значения второго основного компонента на каждом пикселе. По сравнению с земной правдой, реконструированная карта восстанавливает все основные континенты после отделения информации о поверхности от облаков. Результаты для южного полушария хуже, чем те, которые наблюдаются в Северном полушарии из-за облачности над южными океанами.Неопределенность значения каждого пикселя составляет порядка 10%, что на извлеченной карте, что свидетельствует о хорошем качестве отображения поверхности и положительном результате. Критическим требованием для применения этого протокола к будущему анализу является подтверждение того, что информация о поверхности может быть извлечена из кривых света. Этот метод служит эталоном в картировании поверхности экзопланет и может быть усовершенствован с помощью других методов декомпенсации и нормализации новых наблюдений.

Research

JoVE Journal

Engineering

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

Характеристика модификации поверхности белым светом интерферометрии, применения в ионного распыления, лазерной абляции, и трибологии Эксперименты

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

Атомно-силовая микроскопия красных фонарей фоторецепторов Использование Mapping PeakForce Количественный Наномеханические недвижимости

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

Поверхность Enhanced спектроскопии комбинационного рассеяния света обнаружения биомолекул Использование EBL, изготовленных наноструктурированных Субстраты

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

Анализ отказов батарей с использованием синхротронного основе жесткого рентгеновского микротомография

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

Измерение рентгеновского луча когерентность вдоль нескольких направлениях с помощью 2-D Клетчатый фазовой дифракционной решетки

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

Видимый свет Индуцированные Снижение графеновых оксида Использование наночастиц Плазмонное

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

Измерение неустойчивую поверхность давления с помощью выносного микрофона Probe

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

С использованием синхротронного излучения микротомография Расследования многомасштабном Трехмерные Микроэлектронные пакеты

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

Излучение спектроскопические пограничного слоя Исследование во время АБЛЯЦИОННОГО испытания материалов в плазмотроне

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

Экспериментальные методы для захвата ионов с помощью Microfabricated поверхности ловушки иона

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