DOI: https://doi.org/10.1051/0004-6361/202453341
تاريخ النشر: 2025-06-20
المؤلف: F. Bouchy وآخرون
الموضوع الرئيسي: الدراسات النجمية والكوكبية والمجرية
نظرة عامة
جهاز البحث عن الكواكب في الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIRPS) هو جهاز طيفي متطور مصمم لقياسات عالية الدقة والثبات، يهدف بشكل خاص إلى اكتشاف الكواكب الخارجية ذات الكتلة المنخفضة حول النجوم القزمة من النوع M وتوصيف أجوائها. تم تثبيت NIRPS على تلسكوب ESO 3.6 متر في مرصد لا سيلا، وبدأت العمليات في 1 أبريل 2023، بعد اختبارات شاملة في السماء من نوفمبر 2019 إلى مارس 2023. يغطي الجهاز نطاقًا طيفيًا من 972.4 إلى 1919.6 نانومتر، مع نظام تحكم حراري يحقق استقرارًا قدره 1 مللي كلفن على مدى فترات طويلة، مما يقلل من الانجراف.
يتميز NIRPS بنظام بصريات تكيفية (AO) يعزز كفاءة الاقتران ويوفر دقة زاوية عالية مع قبول ألياف يبلغ فقط 0.4 ثانية قوسية. يعمل في وضعين، محققًا قوة حل طيفية تبلغ حوالي $R \sim 90,000$ في وضع الدقة العالية و$R \sim 75,000$ في وضع الكفاءة العالية، مع ذروة إجمالية تصل إلى 13%. دقة السرعة الشعاعية (RV) المقاسة على بروكسيما، نجم ساطع لديه نظام كواكب خارجية معروف، هي 77 سم/ث، ويمكن استخدام الجهاز بالتزامن مع HARPS لتوسيع التغطية الطيفية لتحسين توصيف الطيف والنشاط النجمي. تشير النتائج الأولية إلى أن NIRPS يوفر دقة RV مستقرة عند مستوى 1 م/ث على مدى عدة أسابيع، مما يعزز بشكل كبير القدرة على اكتشاف الكواكب الخارجية الصغيرة ودراسة أجوائها بدقة عالية.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على أهمية النجوم القزمة من النوع M، التي تشكل حوالي 75% من النجوم في مجرة درب التبانة وتمتلك كتلًا تتراوح من 0.08 إلى 0.57 $M_\odot$. تجعل أحجامها الصغيرة ودرجات حرارتها المنخفضة وخفوتها منها مرشحين مثاليين لاكتشاف الكواكب الخارجية الأصغر والأبرد. من الجدير بالذكر أن كوكبًا بكتلة الأرض في المنطقة القابلة للسكن لنجم قزم من النوع M4 يمكن أن ينتج اهتزاز دوبلر أكبر بكثير من ذلك الخاص بالأرض حول الشمس، مما يسهل اكتشاف وتوصيف مثل هذه الكواكب. تشير الدراسات إلى أن حوالي 15% من النجوم القزمة من النوع M تحتوي على كواكب خارجية ضمن مناطقها القابلة للسكن، مما يبرز أهمية مسوحات السرعة الشعاعية (RV) في اكتشاف وتوصيف هذه العوالم.
تناقش المقدمة أيضًا التقدم في الدراسات الجوية للكواكب الخارجية التي تدور حول النجوم القزمة من النوع M، خصوصًا من خلال طيفية التداخل عبر الطيف العالي في الأشعة تحت الحمراء (NIR). لقد مكنت هذه التقنية من تحديد الأنواع الجزيئية في أجواء الكواكب الخارجية وقدمت رؤى حول تاريخ تكوينها. يهدف جهاز البحث عن الكواكب في الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIRPS)، المصمم لتعزيز مسح أنظمة الكواكب حول النجوم القزمة من النوع M، إلى تكملة المرافق الحالية من خلال توسيع العينة القابلة للرصد وتحسين تصفية النشاط النجمي. يوضح البحث أداء جهاز NIRPS ومساهماته في هذا المجال، مع تفاصيل الأقسام اللاحقة حول تصميمه والملاحظات التشغيلية والتطبيقات العلمية.
نقاش
بدأ مشروع NIRPS في يناير 2016، وتقدم عبر مراحل مختلفة، culminating in the official start of operations on April 1, 2023. شمل المشروع جهود تصميم وشراء وتكامل واسعة، مع معالم بارزة تشمل الانتهاء من وثائق القبول المؤقت في أوروبا (PAE) لمختلف الأنظمة الفرعية بين مايو 2019 وأكتوبر 2021. أثرت جائحة COVID-19 على العمليات، مما أدى إلى تعليق من مارس إلى نوفمبر 2020. تم إجراء مراحل التكليف اللاحقة في 2021 و2022، مما أدى إلى الضوء الأول لجهاز NIRPS في مايو 2022 واستبدال شبكة الإشيل في يوليو 2022 لتحسين الأداء. تم تصميم الجهاز للعمل في نطاقات Y وJ وH مع دقة طيفية تتجاوز 80,000، محققًا دقة سرعة شعاعية (RV) تبلغ 1 م/ث.
يتميز جهاز NIRPS بتصميم متطور يتضمن نظام بصريات تكيفية (AO)، ورابط ألياف، وطيفية إيشيل كريوجينية. يتضمن الطرف الأمامي أنظمة فرعية مختلفة لتحسين جمع الضوء وتصحيح التأثيرات الجوية، بينما يسهل رابط الألياف نقل الضوء بكفاءة إلى الطيفية. يضمن وحدة المعايرة استقرار RV عالي من خلال تقنيات المعايرة الطيفية الدقيقة. تعمل الطيفية الكريوجينية تحت ظروف محكومة للحفاظ على الأداء البصري، باستخدام شبكة تم تطويرها حديثًا تعزز بشكل كبير الكفاءة وجودة الصورة. كاشف NIRPS، وهو مصفوفة Hawaii-4RG، مُحسّن للضوضاء المنخفضة عند القراءة والحساسية العالية، مما يدعم تغطية الطيف الواسع للجهاز ودقته الطيفية العالية. بشكل عام، يمثل NIRPS تقدمًا كبيرًا في الطيفية تحت الحمراء القريبة، مما يمكّن من الملاحظات عالية الدقة للبحث الفلكي.
القيود
تناقش قسم القيود التحديات التي تطرحها الضوضاء الوضعية أثناء تكليف رابط الألياف المدمج في الطيفية. تنشأ الضوضاء الوضعية من العدد المحدود من الأوضاع المتنقلة في الألياف، مما يؤدي إلى نمط إخراج يشبه البقع يمكن أن يتغير مع التغيرات في موضع الحقن أو الضغوط الميكانيكية. لتخفيف هذه الضوضاء، تم استخدام استراتيجيتين: تمديد قسم بطول 20 مترًا من الألياف باستخدام محركات بيزوكهربائية واستخدام مسح الميل والانحدار للبصريات التكيفية (AO) عند مدخل الألياف. أدت هذه الطرق إلى تقليل الضوضاء الوضعية بشكل كبير، مع انخفاض مستويات التشتت المقاسة إلى 0.52% لوضع HE و0.73% لوضع HA، مقارنة بـ 6% و2.5% بدون هذه التدخلات.
تشير النتائج إلى أن الضوضاء الوضعية المتبقية تحد من نسبة الإشارة إلى الضوضاء (S/N) إلى 150 لوضع HA و230 لوضع HE، مما يتوافق مع قيود السرعة الشعاعية (RV) تبلغ 1.4 م/ث و0.9 م/ث، على التوالي. تشير النتائج إلى أن الضوضاء المهيكلة هي في الأساس نتيجة لخصائص الألياف بدلاً من الطيفية نفسها، وتبرز حساسية القياسات الطيفية لظروف حقن الألياف. على الرغم من وجود الضوضاء الوضعية، من المتوقع أن يكون التأثير على القياسات التفاضلية، مثل العبور الطيفي، ضئيلًا، خاصة عندما يكون التلسكوب مستقرًا.
DOI: https://doi.org/10.1051/0004-6361/202453341
Publication Date: 2025-06-20
Author(s): F. Bouchy et al.
Primary Topic: Stellar, planetary, and galactic studies
Overview
The Near-InfraRed Planet Searcher (NIRPS) is a state-of-the-art near-infrared spectrograph designed for high-resolution and high-stability measurements, particularly aimed at detecting low-mass exoplanets around M dwarfs and characterizing their atmospheres. Installed on the ESO 3.6-m telescope at La Silla Observatory, NIRPS commenced operations on April 1, 2023, following extensive on-sky testing from November 2019 to March 2023. The instrument covers a spectral range from 972.4 to 1919.6 nm, with a thermal control system achieving 1 mK stability over extended periods, thereby minimizing drift.
NIRPS features an adaptive optics (AO) system that enhances coupling efficiency and provides high-angular resolution with a fibre acceptance of only 0.4 arcseconds. It operates in two modes, achieving a spectral resolving power of approximately $R \sim 90,000$ in high-accuracy mode and $R \sim 75,000$ in high-efficiency mode, with an overall throughput peaking at 13%. The radial velocity (RV) precision measured on Proxima, a bright star with a known exoplanetary system, is 77 cm/s, and the instrument can be used in conjunction with HARPS to extend spectral coverage for improved spectroscopic characterization and stellar activity mitigation. Initial findings indicate that NIRPS provides stable RV precision at the level of 1 m/s over several weeks, significantly enhancing the capability to detect small exoplanets and study their atmospheres with high fidelity.
Introduction
The introduction highlights the significance of M dwarfs, which constitute approximately 75% of stars in the Milky Way and possess masses ranging from 0.08 to 0.57 $M_\odot$. Their small size, low temperature, and faintness make them ideal candidates for detecting smaller, cooler exoplanets. Notably, an Earth-mass planet in the habitable zone of an M4 dwarf can produce a Doppler wobble significantly greater than that of Earth around the Sun, facilitating the detection and characterization of such planets. Studies indicate that about 15% of M dwarfs host exoplanets within their habitable zones, underscoring the importance of radial velocity (RV) surveys in discovering and characterizing these worlds.
The introduction also discusses advancements in atmospheric studies of exoplanets orbiting M dwarfs, particularly through high-dispersion cross-correlation spectroscopy in the near-infrared (NIR). This technique has enabled the identification of molecular species in exoplanet atmospheres and has provided insights into their formation histories. The Near-InfraRed Planet Searcher (NIRPS) instrument, designed to enhance the survey of planetary systems around M dwarfs, aims to complement existing facilities by expanding the observable sample and improving stellar activity filtering. The paper outlines the NIRPS instrument’s performance and its contributions to the field, with subsequent sections detailing its design, operational observations, and scientific applications.
Discussion
The NIRPS project, initiated in January 2016, progressed through various phases, culminating in the official start of operations on April 1, 2023. The project involved extensive design, procurement, and integration efforts, with significant milestones including the completion of the Provisional Acceptance Europe (PAE) documents for different subsystems between May 2019 and October 2021. The COVID-19 pandemic impacted operations, causing a suspension from March to November 2020. Subsequent commissioning phases were conducted in 2021 and 2022, leading to the first light of NIRPS in May 2022 and the replacement of the echelle grating in July 2022 to improve performance. The instrument is designed to operate in the Y, J, and H bands with a spectral resolution exceeding 80,000, achieving radial velocity (RV) precision of 1 m/s.
The NIRPS instrument features a sophisticated design that includes an adaptive optics (AO) system, a fibre link, and a cryogenic echelle spectrograph. The front end incorporates various subsystems to optimize light collection and correction for atmospheric effects, while the fibre link facilitates efficient light transmission to the spectrograph. The calibration unit ensures high RV stability through precise spectral calibration techniques. The cryogenic spectrograph operates under controlled conditions to maintain optical performance, utilizing a newly developed grating that significantly enhances efficiency and image quality. The NIRPS detector, a Hawaii-4RG array, is optimized for low readout noise and high sensitivity, supporting the instrument’s broad wavelength coverage and high spectral resolution. Overall, NIRPS represents a significant advancement in near-infrared spectroscopy, enabling high-precision observations for astronomical research.
Limitations
The section on limitations discusses the challenges posed by modal noise during the commissioning of a fiber link integrated into a spectrograph. Modal noise arises from the limited number of propagating modes in the fibers, leading to a speckle-like output pattern that can vary with changes in the injection position or mechanical stresses. To mitigate this noise, two strategies were employed: physically stretching a 20 m section of the fiber using piezoelectric actuators and employing adaptive optics (AO) tip-tilt scanning at the fiber entrance. These methods significantly reduced the modal noise, with measured dispersion levels dropping to 0.52% for the HE mode and 0.73% for the HA mode, compared to 6% and 2.5% without these interventions.
The results indicate that the residual modal noise limits the signal-to-noise ratio (S/N) to 150 for HA mode and 230 for HE mode, which corresponds to radial velocity (RV) limitations of 1.4 m/s and 0.9 m/s, respectively. The findings suggest that the structured noise is primarily a result of the fiber characteristics rather than the spectrograph itself, and they highlight the sensitivity of spectral measurements to fiber injection conditions. Despite the presence of modal noise, the impact on differential measurements, such as spectroscopic transits, is anticipated to be minimal, particularly when the telescope is stable.