交通分析包:一个IDL的行星交通测光图形用户界面

文摘

我们提出一个IDL的图形用户接口驱动的软件设计为分析交通系外行星的光曲线。交通分析软件包(TAP)软件使用马尔可夫链蒙特卡罗(密度)技术以适应光曲线使用Mandal的分析模型和阿戈尔(2002)。包结合了小波似然函数由卡特和韦恩(2009),它允许获得评估参数不确定性比经典更强劲方法通过参数化不相关的“白色”和“红色”相关噪声。软件能够同时分析多个凌日观察在不同条件(仪器、过滤、天气、等等)。简单的图形界面允许执行获得贝叶斯模型分析和解释根据用户的特定的数据集和已在地面和经过彻底的测试开普勒光度法。本文描述了软件发布和提供新的和现有的应用程序数据。再分析TrES-1b地面观测、WASP-4b和WASP-10b(韦恩et al ., 2007年,2009;Johnson et al ., 2009;职责。)和太空开普勒4 b-8b(住宿和bako 2010)显示良好之间的协议利用这些出版物。我们还展示了新的WASP-10b multi-filter光曲线,我们发现与先前发表的优秀的协议值较小的半径。

1。介绍

蓬勃发展的系外行星科学领域开始当多普勒技术达到所需要的精度检测径向速度(RV)变化的恒星由于其行星轨道相互作用[1,2]。第一个探测系外行星的轨道主序星是紧随其后的是数十人(51 Pegasi b;(3),参见,4,5])。到目前为止,这种技术提供了绝大多数的知道检测和表征系外行星和他们的环境。五年后第一个光度的观察一颗系外行星凌日其母恒星的恒星磁盘提供了一种新的,丰富的信息来源在系外行星系统(HD 209458;(6- - - - - -8])。交通测量提供真正的群众和地球的半径和现在的许多机会多样化的后续科学(9,10]。与多普勒房车的太阳系外行星签名,凌日影响只在实际观测事件所以调查任务的能力需要持续监控恒星探测系外行星的凌日。今天,这种专用广域交通调查任务已经开始跟上多普勒房车调查和蒐集科学的将迎来一个新时代。

大部分的前进势头一直由美国宇航局提供开普勒任务,它提供了测光前所未有的精度(在10几部分⁵)超过150000颗恒星字段。第一个开普勒公共数据释放引用1235星球的候选人,继续发布的数据保证行星和候选人在更大的数字11]。开普勒的连续高精度监测允许探测行星的轨道周期的大范围,同时避免许多偏见,瘟疫地面调查(12,13]。

行星经过恒星之间的主机和一个观察者块区域的恒星磁盘,印记恒星通量观测到一个签名的。随着地球第一次遇到,十字架,最后通过恒星以外的磁盘,由此产生的影子编码遇到的几何蘸观测到的恒星光变曲线。有足够的观察节奏和测光精度,研究人员可能获得地球基本参数建模光曲线。由此产生的交通光变曲线模型提供了重要的细节关于不需要一颗系外行星系统的几何空间解决事件。

一颗系外行星的独特形状交通研究,分析描述的信号(和协方差参数)记录在文献[14- - - - - -17]。即便如此,不同的拟合方法会导致衍生的变化量,和量化的信心派生参数主要取决于治疗噪音,恒星临边昏暗,和观测的节奏。许多作者系外行星交通领域的光度法获得私人获得软件代码,产生可靠的结果很容易与其他研究。然而公共分析软件包提供统一的应用交通模型的分析观察到光曲线是罕见的(一个替代方案是JKTEBOP,看18])和开普勒公共数据释放携带此类软件的日益增长的需要。

为了满足这种需求,我们现在的交通分析包(TAP):一个图形用户界面开发的交互式数据语言(IDL),允许方便地访问最先进的光光度系外行星交通曲线(图的分析1)。利用模型的交通分析光变曲线的形状的15]。最佳适合“中位数”参数值和统计分布提取使用马尔可夫链蒙特卡罗分析技术(见,例如,19- - - - - -21])。而不是经典,开发使用的小波似然函数17),参数化不相关的和相关光度噪声允许精确的不确定性。长时间集成观测(和大多数一样开普勒光曲线)软件可以设置计算交通模型更精细的时间范围。水龙头然后集成模型来观测数据匹配的节奏扭曲由于长集成22]。这些技术代表十多年工作的系外行星(天文学)和更大的社区。软件提出了结合这些知识和经验成为一个容易获取的工具。利用已经开发的同时分析多个光曲线不同的调子,过滤器(临边昏暗)和噪声(观测)条件不需要折叠和rebin数据阶段。节2我们简要回顾分析工具编码到水龙头。节3我们提出并讨论利用分析结果从地面——(TrES-1b、WASP-4b WASP-10b)和空间(开普勒4 b通过8 b)观测,包括一个新的WASP-10b观察。我们在部分总结开发的公开发布4。

2。分析技术

2.1。交通分析包

水龙头软件包使用EXOFAST [23),一种改进的实现(15)分析交通模式,因为在交通参数化,这是常用的,身体上的真实,和计算效率。这个解析函数作为输入以下参数:行星轨道,半径比,按比例缩小的半长轴,轨道倾角对观察者,轨道偏心率,近星点的论点,时间的交通中心和两个参数(,)指定一个二次临边昏暗法律描述隐遁的恒星磁盘(15,24,25]。用户可以选择直接从画和或处理这些参数之间的相关性选择的发行版和(19]。临边昏暗参数只允许成为自由参数限制,临边昏暗是积极和单调递减对磁盘中心(和;(16])。利用包括三个参数的拟合二次趋势曲线。

在贝叶斯统计框架中我们假设的概率分布模型参数的存在,对一组观测数据,。概率密度函数,访问,通过考虑模型参数和数据随机变量(26]。利用访问贝叶斯后验概率密度函数使用pmmh [27,28]马尔可夫链蒙特卡罗(密度)分析在吉布斯采样器(20.,29日,30.)我们采用Daubechies四阶小波分解似然函数(17]。在这种方法中一连串的州(套模型参数,),计算每个后续状态()是引起了一个概率分布的随机应用于。一个新的国家要么是存储为下一个链接,,或拒绝接受任何设计基于转移概率增加的可能性。州可能接受了较低的概率下降指数下降的可能性。足够的聚合链模型状态直接代表了概率密度函数。与谨慎应用,获得技术允许模型参数从任何初始状态达到每一个可能的状态,从而保证收敛于平稳和精确分布的参数(20.]。这些发行版提供了参数不确定性,准确反映输入数据。

经典的似然函数是一个制定和可能应用充分数据,可以认为没有相关噪声的来源([20.,31日,32),以及其他许多)。然而,由于红噪声往往是重要的观测数据,利用33-34使用小波似然函数(方程(17): 在哪里和是残差转换为小波空间使用Daubechies四阶离散小波变换。因此,可能成为一个跨尺度高斯函数的乘积和翻译小波基 我们举行和。请注意,这两个指数的(1让人想起一个。小波分解技术提供了获得信心派生模型不确定性的传统可能通过允许参数测量光度散射(不相关的高斯函数,相关的红色)自由发展。文献[17]表明,没有适当的红噪声分析,污染可以产生不正确的数据价值观和人为小所有参数的不确定性。运输时间变化的研究(台),妥善处理红噪音是至关重要的。

丝锥推断参数和不确定性从最后的密度分布如下:所有的链接之前任何参数首先穿过它的中值从每个链消除获得“燃烧”期间参数适应非常适合无论输入模型的初始参数。所有连锁店都加在一起,15.9,50.0和84.1百分比记录水平。50.0%(中位数)级别报告推断最佳值,而15.9%和84.1%水平报道为“1“信心的水平。图中提供了一个例子3。除了现有方法相结合,利用允许同时分析多个凌日截然不同的实体。这是通过定义一个总体可能性与组件从每个观察交通和创建一个矩阵的参数设置,这样可以迫使某些参数一起进化。通过这种方式,系统参数统计受益于额外的数据而参数取决于个人光曲线(即。、过滤器的选择,天气条件,统计散射等)在获得独立发展。讨论了应用程序部分3.1。

连锁开发提供测试,以确保充分混合,最后的结果是一致收敛的。当用户执行一个利用密度分析,它们指定数量的链,最低每链链接,每个链和最低有效链接。计算最小链接后,利用计算长度的关系为每一个参数: 相关的长度决定的时候达到0.5 (21]。的有效长度然后为链的总数的比例与相关长度。获得充分混合模型链。利用链的长度延伸,直到所有自由参数达成有效长度大于最小输入值。毕竟连锁店已经完成,利用计算Gelman-Rubin统计(30.,33)和报告每个参数的值和运输输出文件。值低于1.1符合聚合链。

3所示。应用程序能够观察到光度法

利用软件合成已通过全面的测试和观察到的光度测定。在本节中,我们文档测试地面(WASP-10b、TrES-1b WASP-4b,部分3.1)和空间(开普勒4 b through-8b,部分3.2)光曲线。

3.1。地面测光:WASP-10b TrES-1b, WASP-4b

我们重新分析WASP-10b交通光变曲线的31日遵循同样的步骤和恢复工作的系统参数派生。具体来说,我们获得锁内的古怪与轨道周期模型分析值来自以前的工作,让其余的参数自由发展。我们提出两个分析,首先用红噪声参数锁定在零模仿经典分析(31日)和第二个红噪声作为一个自由参数(表1)。我们发现微不足道的红噪音污染[结论的31日]。

我们观察到一个额外的运送WASP-10b三乐队(巴尔V, R, I) UT 2010年8月22日在清楚但nonphotometric天气使用正交并行传输成像摄像机(光学)安装在夏威夷大学的2.2米望远镜在莫纳克亚山。视觉独特的正交阵列CCD转移(在线旅行社,看34- - - - - -36])通过一种叫做PSF的技术提供了submillimag精密成形的光明亮的恒星被掩蔽的传播是在一个小盒子在CCD曝光。Shaped-PSFs允许长时间曝光在明亮的恒星和改善工作周期通过暴露导致前30秒的读出。之间接触光学滤光轮是先进,交通光变曲线是完全由观测V, R,我的乐队。每个乐队的光曲线是利用基本的孔径测光技术与一个方形孔径的形状的psf。相对较大的光圈选择相对于PSF占变量PSF散射由于大气条件的变化。四个背景光阑位于两边的PSF是中位数和减去。与[31日]光变曲线红噪音污染明显(图2)。

我们进行两种analyses-one凌日现象被认为是独立的观察和第二我们使用全功率利用锁定系统和轨道参数为一个集(部分2)。结合分析,参数描述临边昏暗,噪音,和二次趋势占out-of-transit每光变曲线变化保持独立。这些分析的结果被发表在表4。每个单独的交通和合并后的设置产生参数一致(31日]。水龙头同时分析方法显示改善派生系统参数值的精度,同时提供临边昏暗系数三个光度乐队从一个观察。最后分析是由锁红噪声参数的零模仿经典派生参数一致,但与误差缩小0.7倍——高估的污染数据的重要性。

在[31日)、精度高(~0.5 millimag)过境WASP-10b只能获得一个健壮的模型适合的时期和偏心参数要求的约束。工作的结果与发现参数明显不同意的37),尤其是交通深度,产生较小的行星半径(16%改变)。从那时起,两个额外的文件(38,39)支持的结论发现纸WASP-10b膨胀超出了辐照类木行星的半径的理论预测(40]。我们同意的小半径测量数据31日)使用相同的工具,但有三个不同的过滤器。在我们的分析中,像这样的31日),临边昏暗参数可以自由变化,一个健壮的方法允许我们高精度曲线。文献[37在理论值)锁这些参数,而治疗的临边昏暗(38,39目前还不清楚。我们强调额外的跟踪观测,阐明这些差异的重要性,并敦促作者提供他们收集的光曲线。这允许再分析其他团队和社区作为一个整体来说是一个福音。

我们重新分析的三个TrES-1b交通光曲线(41)和两个WASP-4b凌日的42]。在这两种情况下,所有系统参数除外是一组锁。交通midtime吗,以及observation-specific参数包括噪声和线性气团的趋势,每个交通观测被允许独立进化。对两个系统繁殖以前发布的系统参数。我们报告的结果作为对比的出版价值(41)表2和[42)表3。

3.2。天基测光:Kepler-4b through-8b

理想情况下,多个分析了一颗系外行星凌日作为一组,建立了测量轨道周期和增加信心派生参数。一般来说,每个观测的交通midtime测量和数据阶段折叠成一个单一的光变曲线进行分析。这种技术有很多的弱点,包括丧失per-transit midtime错误,麻烦处理不同观察条件下,损失的描述每个观测噪声的能力。在的时代开普勒,多个凌日常态,通常地面跟踪提供了额外的数据质量截然不同。

等完全开发设计分析和复制发表系统参数开普勒这些新方法的目标是一个理想的测试。数据开普勒4 b through-8b通过桅杆开普勒数据归档。我们归一化开普勒通量在每个交通事件的out-of-transit价值统一使用一个5阶多项式适合占恒星通量的变化在每个交通时代。在分析利用是将计算模型与十倍细时间节奏rebinning模型回到之前的观察29.4分钟节奏。偏心参数假设圆轨道。

比较的结果(43我们使用一个参数部分的区别, 在哪里参数值和他们1 -不确定性。因此,分数差绝对值小于统一代表统计协议。推断出系统参数(表5显示这样的协议与互补的方法”。c”(43]开普勒4 b-7b,作者认为圆形轨道,让临边昏暗参数自由发展。与我们的分析,43)也考虑房车测量。的情况下开普勒8 b,轨道周期的水龙头和KB10适合的区别是重要的。这种差异可能是由于增加的噪音开普勒8数据集和径向速度测量的包容43]。

4所示。总结

在本文中,我们提出一个图形用户界面驱动系外行星的交通分析包写在交互式数据语言(IDL)。该软件提供容易获得先进的分析技术支持通过严格的测试。水龙头是专为太阳系外行星的未来交通科学的全球分析多个凌日是正常的操作模式。获得准确的参数不确定性推导相结合的新小波方法处理相关噪声和维护多个凌日作为单独的数据集的能力。

通过提供公共访问水龙头,我们允许否则断开连接的团队在全球范围内统一分析。任何方法和实现是容易发生系统错误,和交通分析技术的日益成熟提供了一个增加编码错误的可能性和严重的系统误差。通过使用相同的工具,系统误差的影响被边缘化和结果从单独的团队可以简单而有意义的比较。利用获得的软件,占相关噪声,大大增加的准确性派生参数不确定性,一个关键组成部分在交通科学不准确误差会导致虚假的星球相振幅,二级eclipse深处,和运输时间和形状的变化。

水龙头是一个顶点的开创性工作由众多团队在过去十年的系外行星交通科学。我们,即提供自由这些最先进的技术,继而面临的就是全面许多研究者的需要。这些包括专业天文学家,研究生和本科生,业余天文学家。不需要进行密集的软件设计活动,这些个人和团队可能专注于解释数据的丰富信息。作为开普勒和地面运动继续收集光曲线,很快成千上万的系外行星凌日,需要这样的公共软件从来没有更大的。

水龙头是公开的http://ifa.hawaii.edu/users/zgazak/IfA/TAP.html以及一个视频和FAQ文件示例。

确认

作者欣然承认与乔什·卡特的讨论有关新的可能性小波方法和大卫·基平和加斯帕bako若有所思地应对问题的独立分析开普勒通过8 b 4 b。他们感谢的人提供有用的见解和评论关于早期版本的开发,包括特别是约翰·雷纳,凯伦·柯林斯和卡斯帕·冯·布劳恩。j·a·约翰逊是NSF资助支持的ast - 0702821。a·w·曼的支持是由美国国家科学基金会授予ast - 0908419。对于这项工作,作者利用了呃2.2米望远镜在莫纳克亚山。作者希望扩展特别感谢那些圣山的夏威夷祖先的莫纳克亚山的特权是客人。没有他们的慷慨的款待,本文提供的观察是不可能的。

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