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

Detta arbete stöddes delvis av Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, enligt avtal med NASA. YLY erkänna stöd av Virtual Planetary Laboratory vid University of Washington.

1. Programmering setup
<ol><li>Ställ in programmeringsmiljön för den kopplade koden. En dator med Linux-operativsystem krävs, eftersom healpy-paketet inte finns på Windows. Koden är inte beräkningsmässigt dyr, så en normal persondator kan hantera protokollet.</li>
	<li>Följ instruktionen (https://docs.anaconda.com/anaconda/install/linux/) för att installera Anaconda med Python 3.7 på systemet, använd sedan följande kommandon i terminal för att ställa in programmeringsmiljön: $ conda skapa --name mye...

<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>

Ett kritiskt krav i protokollet är möjligheten att extrahera ytinformation från ljuskurvor, vilket beror på molntäckningen. I steg 3.5.1 kan de relativa värdena för PC:erna vara olika bland exoplaneter. När det gäller Jorden dominerar de två första PC-datorerna ljuskurvans variationer, och motsvarar ytoberoende moln och yta (Fan et al. 2019)13. De har jämförbara singularvärden så att ytinformationen kan separeras efter steg 3.5.2 och 3.5.3. För en framtida observation av exoplanet,...

Identifiera beboeliga världar är en av de slutliga målen i astrobiologi1. Sedan den första upptäckten2, mer än 4000 exoplaneter har bekräftats hittills3 med ett antal Jorden analoger (t.ex., TRAPPIST-1e)4. Dessa planeter har omlopps- och planetariska egenskaper som liknar jordens, och därför är potentiellt beboeliga. Att utvärdera deras beboelighet från begränsade observationer är viktigt i detta sammanhang. Baserat på kunskapen om livet på jorden är geologiska system och klimatsystem kritiska för beboelighet, som därför kan fungera som biosignaturer. I princip kunde funktioner i dessa system observeras på avstånd även när en planet inte kunde vara rumsligt löst bättre än en enda punkt. I detta fall är det viktigt att identifiera geologiska egenskaper och klimatsystem från ljuskurvor med en punkt när man bedömer exoplaneternas beboelighet. Ytkartläggning av dessa exoplaneter blir brådskande.
Trots faltningen mellan visningsgeometri och spektrala funktioner, finns information om en exoplanets yta i dess tidsavstämda ljuskurvor med en punkt, som kan erhållas på avstånd, och härledas med tillräckliga observationer. Men tvådimensionella (2D) yta kartläggning av potentiellt beboeliga jordliknande exoplaneter är utmanande på grund av påverkan av moln. Metoder för att hämta 2D-kartor har utvecklats och testats med hjälp av simulerade ljuskurvor och kända spektra5,6,7,8, men de har inte tillämpats på verkliga observationer. I analyserna av exoplanetobservationer nu och inom en snar framtid kan dessutom antaganden om karakteristiska spektra vara kontroversiella när de planetariska ytsammansättningarna inte är välbegränsade.
I detta dokument visar vi en ytkartläggningsteknik för jordliknande exoplaneter. Vi använder SVD för att utvärdera och separera information från olika källor som finns i flervågsljuskurvor utan antaganden om några specifika spektra. I kombination med visningsgeometri presenterar vi rekonstruktion av ytkartor med hjälp av tidsenlig löst men rumsligt invecklad ytinformation. I syfte att demonstrera denna metod analyseras tvåårsdelvåglängdsobservationer av jorden som erhållits av Deep Space Climate Observatory/Earth Polychromatic Imaging Camera (DSCOVR/EPIC; www.nesdis.noaa.gov/DSCOVR/spacecraft.html) . Vi använder jorden som en proxy exoplanet för att bedöma denna metod eftersom för närvarande tillgängliga observationer av exoplaneter inte är tillräckliga. Vi bifogar koden med pappret som exempel. Det är utvecklat under python 3.7 med anaconda och healpy paket, men matematiken i protokollet kan också göras i andra programmeringsmiljöer (t.ex. IDL eller 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

Rumsligt lösa exoplanet funktioner från enpunktsobservationer är viktigt för att utvärdera den potentiella beboelighet exoplaneter. Det slutliga målet med detta protokoll är att avgöra om dessa planetariska världar hamn geologiska egenskaper och / eller klimatsystem. Vi presenterar en metod för att extrahera information från multi-våglängd enpunkt ljuskurvor och hämtar ytan kartor. Den använder singular värdeförruttnelse (SVD) för att separera källor som bidrar till ljuskurvans variationer och dra slutsatsen att det finns delvis grumliga klimatsystem. Genom analys av tidsserien som erhållits från SVD kunde fysiska tillskrivningar av huvudkomponenter (PC) härledas utan antaganden om några spektrala egenskaper. Kombinera med visning geometri, är det möjligt att rekonstruera ytan kartor om en av datorerna visar sig innehålla ytinformation. Degeneracy härstammar från faltning av pixelgeometrin och spektruminformationen bestämmer kvaliteten på rekonstruerade ytkartor, vilket kräver införandet av regularization. I syfte att demonstrera protokollet analyseras flervåglängdsljuskurvor av jorden, som fungerar som en proxyexoplanet. Jämförelse mellan resultaten och marken sanningen presenteras för att visa prestanda och begränsning av protokollet. Detta arbete ger ett riktmärke för framtida generalisering av exoplanetapplikationer.

Vi använder multi-våglängd enpunkt ljuskurvor av jorden för att visa protokollet, och jämföra resultaten med marken sanningen att utvärdera kvaliteten på ytan kartläggning. Observation som används här erhålls av DSCOVR /EPIC, som är en satellit som ligger nära den första Lagrangian punkten (L1) mellan jorden och Solen tar bilder på tio våglängder av solbelysta jordens yta. Två år (2016 och 2017) av observationer används för denna demonstration, som är desamma som de i Jiang et al. (2018)<sup class=...

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

Protokollet extraherar information från ljuskurvor av exoplaneter och konstruerar deras ytkartor. Den använder ljuskurvor av jorden, som fungerar som en proxy exoplanet, för att visa tillvägagångssättet.

Ytmappning av jordliknande Exoplaneter med hjälp av Ljuskurvor med single point

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

Detta protokoll kan användas för att rumsligt lösa exoplanetfunktioner från enpunktsobservationer och är viktigt för att utvärdera exoplaneternas potentiella beboelighet. Denna teknik kan användas för att rekonstruera tvådimensionella ytkartor av jordliknande exoplanet. Och detta är den första tekniken som testas med verkliga observationer med hjälp av jorden som en proxy.Matematiken i denna teknik är okomplicerad och kan enkelt justeras för andra observationer. Man behöver inte strikt följa kodningsskripten. Visuell demonstration av denna teknik är viktig eftersom en bild är värd tusen ord.När du har konfigurerat programmeringsmiljön för den kopplade koden anger du kommandot för att installera Anaconda med Python 3.7 på systemet. Efter att du har satt upp programmeringsmiljön, erhåll ljuskurvor med flera våglängder, visa geometrin från observationerna och kör tidsserien för observationsytan. py-kommandot för att visualisera data och kontrollera deras kvaliteter.Ange sedan kommandot för att generera en geometrifigur. Extrahera informationen om ljuskurvans yta genom att köra normalisera. och på PY-kommandot.Utmatningen sparas i normaliserad ljuskurva.csv. Ange kommandot för att visualisera de normaliserade ljuskurvorna. En normaliserad ljuskurva figur kommer att skapas.Ange kommandot för att neddela de normaliserade ljuskurvorna. Den resulterande tidsserien, singularvärden och principalkomponenter kommer att sparas i lämpliga utdatafiler i CSV-format. Använd kommandona för att visualisera det ovanliga värdets nedbrytningsresultat.Siffror för singularvärdena och principalkomponenterna kommer att genereras. Analysera bidragen och motsvarande tidsserier för de viktigaste komponenterna för att bestämma den som innehåller information om ytan och jämföra singularvärdena vid diagonalen av singularvärdesmatris. En jordliknande delvis grumlig exoplanet förväntas ha två jämförbara dominerande singularvärden.Bekräfta valet av huvudkomponenten genom att ange kommandot för att erhålla effektspektra för tidsserierna för varje huvudkomponent. Effektspektran kommer att sparas i periodogram.csv. Ange kommandot för att visualisera periodogrammen och bekräfta valet av den viktigaste komponenten.En periodogramfigur kommer att genereras. Den aktuella plottningskoden lägger till streckade linjer som representerar de årliga, halvårsvis, dagaktiva och halvdagliga cyklerna som referens. Välj den huvudkomponent som innehåller informationen om ytan och dess motsvarande tidsserier.Om du vill konstruera en planetartad ytkarta använder du det slumpmässiga kommandot HEALPix för att visualisera pixeleringsmetoden. En HEALPix slumpmässig figur kommer att skapas. Parametern n avtar vid linje 17 kan ändras för olika upplösningar.Om du vill bestämma vikten för varje pixel anger du kommandot. Utmatningen kommer att sparas som w. npz på grund av dess storlek.Chang n avta värde på linje 23 som är lämpligt för de andra upplösningar av hämtad karta. Använd tomten vikt. på PY-kommandot för att visualisera vikten.Ett antal siffror kommer att skapas i viktmappen. Att slå samman siffrorna gör det möjligt att visa hur vikten på varje pixel ändras med tiden. Använd den linjära regressionen.py kommando för att lösa den linjära regression problemet. Resultatet av pixelvärden kommer att sparas i pixelvärdet. csv-fil.Värdera av Lambda på fodrar 16 kan ändras för olika styrkor av regularization som är lämpligt. Kör sedan plotkartan. py-kommandot för att konstruera de hämtade kartorna med hjälp av olika regularization-parametrar.Tre kartor kommer att genereras. Förhållandet mellan pixelindexen och deras platser på varje karta beskrivs i HEALPix-dokumentet. Om du vill beräkna kovariansmatrisen för varje pixel kör du kovariansen.och på PY-kommandot. Resultatet kommer att sparas i kovarians. npz på grund av sin storlek.Om du vill visualisera kovariansmatrisen och för att kartlägga osäkerheten till den hämtade kartan kör du observationsområdets kovarians. och på PY-kommandot. En kovarians och en osäkerhetssiffra kommer att skapas.Här, prov multi-våglängd observationer av jorden på 927 samordnad universell tid, 8 februari, 2017 visas. Här kan tidsserierna för de två dominerande huvudkomponenterna i flervåglängdsljuskurvorna observeras. Tidsserien för den andra huvudkomponenten demonstrerar en mer regelbunden morfologi med en ungefärligt konstant daglig variation och starkare dagaktiva cykeln i dess effektspektrum än den första huvudkomponenten.En ytkarta över denna proxyexoplanet som består av värdet på den andra huvudkomponenten vid varje pixel kan sedan konstrueras. Jämfört med jordens grundsanning återvinner den rekonstruerade kartan alla större kontinenter efter att ha separerat ytinformationen från molnen. Resultaten för södra halvklotet är sämre än de som observerats för norra halvklotet på grund av molntäcket över de södra haven.Osäkerheten för varje pixelvärde är på storleksordningen 10%av den i den hämtade kartan, vilket tyder på en god kvalitet på ytan mappning och ett positivt resultat. Det kritiska kravet för att tillämpa detta protokoll på en framtida analys bekräftar att ytinformationen kan extraheras från ljuskurvor. Denna teknik fungerar som ett riktmärke i ytkartläggningen av exoplaneter och kan förbättras med annan dekompensation och regularization-metoderna för nya observationer.

Research

JoVE Journal

Engineering

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

Karakterisering av ytmodifieringar av White Light interferometri: tillämpningar Ion sputtring, laserablation, och tribologi Experiment

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

Atomic Force Microscopy av Red-Light Fotoreceptorer Använda PeakForce Kvantitativ Nanomechanical Property Mapping

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

Surface Enhanced Raman Spec detektion av biomolekyler Använda EBL Fabricated nanostrukturerade Substrat

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

Underlåtenhet Analys av batterier Använda Synchrotron-baserade Hard röntgen Microtomography

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

Mätning av röntgen Beam Coherence längs flera riktningar användning av 2-D Checkerboard fasgitter

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

Synligt ljus Induced Minskning av grafenoxid Använda plasmoniska nanopartiklar

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

Mätningen av Ostadig yttryck med hjälp av en fjärrkontroll mikrofon 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

Använda Synchrotron Radiation Microtomography att undersöka Multi skala Tredimensionella Microelectronic paket

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

Emission Spektroskopiska Boundary Layer Undersökning under ablativ Material Testing Plasma

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

Experimentella metoder för fångstmetoder joner använder biochips yta Ion fällor

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