Warunki klasyfikowania obserwacji tranzytów planet pozasłonecznych

LibMar · 20 Lipca 2017

Witam,

Jakiś czas temu planowałem przygotować sposób oceniania rejestracji tranzytu planety pozasłonecznej - kiedy uznać obserwację za pozytywną, prawdopodobną i negatywną. Pomoże to rozwiać wątpliwości w przypadku, gdy nie wiadomo do której grupy zaliczyć. W ten sposób będzie mi łatwiej (mam nadzieję, że innym również) sklasyfikować czy dana detekcja udała się lub nie do końca. To będzie dobre miejsce, aby się odwołać Z czasem pojawią się aktualizacje.

Rozrzut pomiarowy określany jest na podstawie mediany sąsiednich pomiarów obejmujących czas integracji wynoszący 1/10 długości tranzytu. Jeżeli przekracza on 15 minut (np. tranzyt 240-minutowy), to czas integracji wyniesie 15 minut niezależnie od długości trwania zjawiska. To oznacza, że jeśli tranzyt trwał 6000 sekund (100 minut), a odstępy pomiędzy kolejnymi klatkami wynoszą 10 sekund, to w ciągu 10 minut złapię 60 klatek. Mediana tych 60 klatek (1-60, 61-120, 121-180, 181-240 itd) ukaże oceny przedstawiające dokładność pomiarową do dalszej oceny. Dla przykładu, jeśli V-C dla najwyższego punktu wynosi -0.332 mag, a najniższy -0.272 mag, to rozrzut wynosi +/- 0.03 mag. Może zdarzyć się tak, że tylko jedna ocena będzie znacząco odstawała od reszty. W takim przypadku określenie rozrzutu z dwukrotnym przeplataniem pomiarów (1-60, 31-90, 61-120, 91-150 itd) jest również możliwe.

1) Aby obserwacja była zaliczona jako pozytywna, może wystarczyć częściowo zarejestrowany tranzyt.

Co najmniej połowa długości zjawiska, jeśli głębokość tranzytu wynosi przynajmniej 0.5x uzyskanego rozrzutu pomiarowego (np. 0.005 mag przy rejestracji +/- 0.01 mag)
Co najmniej 1/3 długości zjawiska, jeżeli głębokość tranzytu jest większa niż 1x rozrzutu pomiarowego (np. 0.01 mag przy rejestracji +/- 0.005 mag)
Niekiedy przy bardzo małym rozrzucie pomiarowym (2x i więcej) może wystarczyć już 1/5-1/4 długości tranzytu. Jeżeli żaden z dwóch poniższych warunków nie zostanie spełniony, to mimo to, obserwacja będzie prawdopodobna. Wystarczy jedno, aby móc uznać za pozytywną.
- Zaobserwowano minimum 1/3 długości tranzytu (dla tych trwających poniżej 135 minut)
- Mamy materiał obejmujący przynajmniej 45 minut z trwającego tranzytu od I lub IV kontaktu*

* w przypadku niemal brzegowych tranzytów może to być trudniej widoczne ze względu na wolno postępujący spadek - wówczas indywidualnie określi się czy będzie pozytywny lub prawdopodobny; należy pamiętać jednak o tym, że pozytywna rejestracja wymaga braku wątpliwości

Zbyt krótko zarejestrowany tranzyt z widocznym możliwym spadkiem jasności (zgodnym z efemerydami) będzie określony jako prawdopodobny.

2) Aby obserwacja była zaliczona jako pozytywna, potrzeba wystarczającej ilości materiału przed tranzytem lub po. Jest to wymagane, aby potwierdzić obecną różnicę blasku.

Sesja obejmująca przynajmniej 60 minut przed tranzytem lub 60 minut po jest wystarczająca, aby uznać obserwację za pozytywną lub negatywną. Nie ma sensu określać tranzyt jako prawdopodobny. Wyszedł spadek/różnica blasku? To pozytywny. Obserwację jako prawdopodobną uznamy tylko w przypadku, gdy krzywa jasności w tym miejscu jest "podziurawiona" z powodu przelatujących chmur (traktujemy, że widzieliśmy ją krócej niż 60 minut).
Jeżeli obserwowaliśmy krócej niż 60 minut i mamy wątpliwość czy spadek jasności jest wywołany przez tranzyt (choć jest jakaś różnica blasku), to rejestracja otrzymuje status prawdopodobny. Jeśli nic nie ma, to negatywny.
Obserwacja tranzytu może uzyskać wynik pozytywny przy rejestracji krótszej niż 60 minut pod warunkiem, że uzyskamy wystarczającą dokładność pomiarów (powyżej 1x rozrzutu pomiarowego).
Jeśli obserwujemy cały tranzyt z początkiem oraz końcem, i tak przynajmniej jeden kontakt musi być dobrze widoczny. Dwa prawdopodobne kontakty dają nadal wynik prawdopodobny.

3) Jeżeli tranzyt był zbyt krótko obserwowany przed tranzytem (lub po) oraz zbyt krótko rejestrowaliśmy w trakcie (np. zaczęliśmy 30 minut i skończyliśmy w 1/3 zjawiska) przy głębokości poniżej 1x rozrzutu pomiarowego, to wynik jest negatywny. Obserwację jako prawdopodobną wykluczamy, gdyż w takim przypadku wykres przyjmuje kształt bliżej pochylonej kreski. Zmiana blasku w ten sposób może być interpretowana jako trend wynikający ze słabej jakości materiału (np. brak flatów, brak płaskiego pola).

4) Nie ma ściśle określonych warunków oceny jako pozytywny lub negatywny dotyczących rozrzutu pomiarowego przy danym spadku jasności dla tranzytów w przypadku, gdy nie określamy jako "prawdopodobny". Im więcej mamy materiału, tym wyraźniej ukażemy spadek. Stąd warto kontynuować obserwacje kończąc nawet 60-180 minut po tranzycie. Szanse na ukazanie tranzytowej zmiany jasności rosną. Jeśli ma być pozytywny, to ma być widoczna różnica. Jeśli są wątpliwości, to spróbuj zarejestrować drugi tranzyt i ewentualnie połącz dwa wykresy ze sobą. W innym przypadku będzie to negatywny.

5) Jeśli spadek jasności jest zbyt mały, aby został uchwycony pojedynczą rejestracją, można "stackować" (data binning) krzywe ze sobą. Całość liczona jest jako jedna obserwacja. Z reguły, rozrzut pomiarowy maleje dwukrotnie przy połączeniu 4 różnych wykresów zmian blasku.

6) Głębokość tranzytu powinna w miarę zgadzać się z efemerydami. Trudno określić o ile procent ma różnić się względem efemeryd - jest to trudne, gdy spadek jasności jest bardzo płytki. Ale jeśli wychodzi nam głębokość 0.02 mag, a przewidywana wartość to 0.005 mag, to jest coś nie tak. Przyczyną może być np. zbyt długi czas ekspozycji, gdzie gwiazda zmienna (lub użyte referencyjne) są zbyt naświetlone (doszło do załamania liniowości). Tak samo dotyczy przebiegu tranzytu w zależności od inklinacji. Jeżeli tranzyt jest brzegowy, to wejście i wyjście powinno być bardzo łagodne. Jeżeli jednak wychodzi nam gwałtowny spadek/wzrost, to może świadczyć też o błędzie wynikającym z przeprowadzania fotometrii. Obserwowane przez nas planety są dobrze poznane i na podstawie parametrów damy radę odtworzyć przebieg krzywej jasności.

7) W przypadku wątpliwości uzyskanych pomiarów (np. zbyt dobrze jak na dany sprzęt), fajnie by było, gdyby taka osoba udostępniła pojedyncze pomiary w pliku txt, pokazała przykładową klatkę, jakie użyła gwiazdy referencyjne itp. Podanie zestawu obserwacyjnego to jednak konieczność.

Ostateczne warunki wymagające do potwierdzenia wystąpienia tranzytu. Tylko jeśli w każdym przypadku będzie odpowiedź "tak", możemy uznać obserwację za pozytywną. Jedno "nie" wyklucza udaną detekcję planety pozasłonecznej.

1) Czy zebrano wystarczającą ilość danych przed lub po tranzycie przy danym rozrzucie pomiarowym?

2) Czy wykluczono możliwość zmienności wynikająca z obecności gwiazdy zmiennej jako referencyjna lub nierówności tła?

3) Czy momenty początku i końca zgadzają się mniej więcej z efemerydami? (może wystąpić różnica nawet kilku minut, jeśli efemerydy są podawane w JD zamiast HJD)

Przykłady pozytywnych rejestracji tranzytu:

1) Kliknij tutaj - 1

Wyraźnie widoczny spadek jasności już na pojedynczych klatkach, mamy cały przebieg tranzytu z początkiem i końcem.

2) Kliknij tutaj - 2

Widoczny spadek jasności na pojedynczych ocenach, warunki wystarczającej ilości danych przed i po tranzycie zostały spełnione.

3) Kliknij tutaj - 3

Spadek jasności na skutek tranzytu jest widoczny już na pojedynczych klatkach, choć początek i koniec mogły być dłuższe. Jeśli mielibyśmy tylko kilkanaście pomiarów o takim rozrzucie, to wynik byłby już prawdopodobny. Po przeprowadzeniu data binning jest już wyraźniej widoczne.

Przykłady prawdopodobnych rejestracji tranzytu:

1) Kliknij tutaj - 4

Zbyt mała ilość danych przed tranzytem nie pozwala określić czy różnica jasności byłaby zarejestrowana, choć moment spadku jest zgodny z przewidywaniami. Końcówka zjawiska nie została zarejestrowana, ETD po prostu zmusił siebie do wykrycia (tranzyt powinien skończyć się dopiero godzinę później).

2) Kliknij tutaj - 5

Zbyt mała ilość danych po tranzycie. Gdyby przed ostatnim punktem było jeszcze parę pomiarów (ale przyszły chmury), wynik mógłby być pozytywny.

3) Kliknij tutaj - 6

Jest różnica w blasku przed i po rozpoczęciu tranzytu (czarne punkty są od innego obserwatora do porównania przebiegu), choć obserwacji z przebiegu tranzytu mamy zbyt mało, aby potwierdzić.

Przykłady negatywnych rejestracji tranzytu:

1) Kliknij tutaj - 7

Przed kreską trwał tranzyt o głębokości 0.0087 mag, którego po prostu nie widać (to końcówka obserwowanego tranzytu, początek był gdzieś w minimum).

2) Kliknij tutaj - 8

Przy takiej dokładności nie ma szans, aby na pojedynczych klatkach złapała się różnica blasku. Data binning nie wykazało wyraźnej różnicy jasności z tranzytu i poza nim.

3) Kliknij tutaj - 9

Wykres jest obarczony błędami w fotometrii. Materiał wymaga ponownej analizy.

Prawdopodobna rejestracja tranzytu nie oznacza, że udało się zarejestrować tranzyt planety pozasłonecznej!

Tylko nas informuje, że było blisko i jest możliwa detekcja takiego obiektu - wystarczy spróbować jeszcze raz!

Hans · 20 Lipca 2017

1-3 wyglądają bardzo dobrze.

Ja osobiście w pełni zadowolony jestem gdy widze coś takiego po kalibracji:

TrES3b, WASP14b

Mając coś takiego jak to, w pełni szczęśliwy już nie jestem:

HAT-P3b

Tu masz generalnie to co zdołałem wprowadzić na strone z moich materiałów. Mix, troche egzo, troche nowoodkrytych VSXów, trochę ciekawych przypadków. Jakby któryś konkretny na coś Ci się przydał, daj znać, gdzieś pierwotny materiał powinien się po serwerach ciągle kisić.

Pozdrawiam.

Behlur_Olderys · 20 Lipca 2017

A jak jest w publikacjach naukowych? Jak musi być statystyka żeby np. stwierdzić odkrycie?

LibMar · 20 Lipca 2017

2 godziny temu, Hans napisał:

Mając coś takiego jak to, w pełni szczęśliwy już nie jestem:

HAT-P3b

A co tam się stało, że powstał tak duży rozrzut tylko i wyłącznie w trakcie tranzytu? Cirrusy?

29 minut temu, Behlur_Olderys napisał:

A jak jest w publikacjach naukowych? Jak musi być statystyka żeby np. stwierdzić odkrycie?

Myślę, że takie ocenianie tutaj nie ma to większego znaczenia. To bardziej ocenianie dla amatorskich prób. Łatwiej prowadzić statystyki mówiące o ilości udanych i prawdopodobnych rejestracjach.

W przypadku odkryć, trzeba odróżnić sygnał od obecności układu binarnego (są to dwa elementy):

- przebieg krzywej jasności (czy ma literę "U" - bardziej planeta lub "V" - bliżej układ binarny)

- brak obecności zaćmienia wtórnego oraz "phase curve" (trudniejsze do zarejestrowania i charakterystyczne tylko dla układów binarnych*)

- spadek jasności (dzięki astrosejsmologii mamy wyznaczone promienie gwiazd - jeśli złapiemy możliwy sygnał, szybko obliczymy czy obiekt o danym promieniu może istnieć w formie planety)

* - Zaćmienia wtórne egzoplanet rejestruje się w podczerwieni, a my obserwujemy w świetle widzialnym. Problem więc nas nie dotyczy. Jednak obserwowano takie zjawiska również w tych długościach fali, jak np. dla HAT-P-7 b (spadek o 0.0001 mag), jednak są poza zasięgiem amatorów.

Projekt Zooniverse - Exoplanet Explorers bardzo dobrze uczy odróżniać tranzyt planety pozasłonecznej od zaćmienia w układzie binarnym. Wczoraj przekroczyłem 60 tysięcy klasyfikacji i za kilka dni mają opublikować pierwszy artykuł (mnie w nim nie będzie, jak coś). Link: https://www.zooniverse.org/projects/ianc2/exoplanet-explorers/