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Observations of proto-planetary disks and exo-planets with the JWST
E. Pantin, P.O. Lagageand the MIRI science team
28-30/05/2010 KielDisks and exoplanets : sciences cases for interferometry
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SPITZER (IRAC, 8 m) JWST (MIRI, 7.7 m)
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Thermal Background
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+ FGS: Tunable Filter Instrument 1.5-5 um, R= 100, NRM (21 baselines)
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NIRCAM coronagraphic occulters
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3 apodized SPOTS 2 apodized WEDGES
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MIRI Fields of View, Coronagraphs
F1550C or (F1550C+ F1140C) => Teff , CO2, cloudsF1065C + F1140C => Ammonia, clouds, T° probeF0560W => waterF0770W => methaneAll + modeling => some atmospheric parameters
Some degeneracies exist => combination with NIR is crucial
4QPM Coronagraphs
15.5µm 11.4µm10.65µm
24 x 24 arcsec.
Low Resolution Spectrometer5 x 0.6 arcsec
Imager75 x 113 arcsec
Medium Resolution Spectrometer
> 3.5 x 3.5 arcsec
Lyot Mask 23m30” x 30”
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Principle of 4QPMPrinciple of 4QPM
IWA /D 0.35"
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(n-1)e =(n-1)e =/2/2
28-30/05/2010 KielDisks and exoplanets : sciences cases for interferometry
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NIRCAM MIRI TFI-NRM
Central wavelength
2.5 m 15 m 4 m
Median angular resolution
0.1 " 0.6 " 0.07 "
Coronagraphic mode
Yes Yes NA
Field ~ 20x20 " ~ 20x20 " ~ 0.6 "
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Sensitivity
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Major points:
• extreme sensitivity combined fairly good angular resolution ("a VISIR in space")
• stability
• JWST is not meant to discover new exoplanets but characterize already known ones
Exo-planets
Exo-planets imaging science case
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Simulated coronagraphic images
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NIRCAM:M0 star4 pc2 Mj
7 AU
1 M1 MJupJup 5 M5 MJupJup 10 M10 MJupJup
500 K500 K 10 Myr10 Myr 165 Myr165 Myr 670 Myr670 Myr
300 K300 K 80 Myr80 Myr 1 Gyr1 Gyr 3.5 Gyr3.5 Gyr
MIRI:M2V star10 pc5, 10, 15 AU1h integration
= 11.4 m
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Rejection performance
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Beichman, 2010
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Parameters space
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NIRCAM/TFI/MIRI
M stars
Bright early-type stars
GROUND-BASED IMAGING
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JWST exoplanets imaging science case
A simulated targets sample for exoplanets detection
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Simulated performances
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Sample program Monte-Carlo ~700 stars)1000 runsd< ~150age : 1 Myr- 1 Gyr
1 dispersion, all stars
25 best (highest detection success rate)
symbol sizes fractional detection rate
Beichman et al., 2010
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Full sample
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NIRCAM MIRI TFI-NRM
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M stars only
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NIRCAM MIRI
young planets < Mj
old planets > Mj
Giant planets formation mechanism around low-mass stars:
The M stars niche for MIRI imager
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The ("adolescent") M stars opportunity
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The M stars opportunity
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12 M0-M5 stars
d=10-40 pc
ages < 200 Myr
•TW Hya (10 Myr) Pic mg (12 Myr)•Tucana-Horologium (30 Myr)•AB doradus (80 Myr)•Castor mg (200 Myr)
complementary NIRCAM and TFI observations are compulsory to assess the planetary nature of sources found !!
Exoplanets characterization using mid-IR spectroscopy
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Exoplanets mid-IR spectra
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Hot Jupiter primary and secondary transits (NIRCAM, NIRspec)
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courtesy of J. Valenti
HD209459 b
secondary transit primary transit
t=6h
hot neptunes spectra (4 transits) are accessible using NIRCAM-NIRspec instruments
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Exo-Earths transit spectra (NIRspec, MR)
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NIRspec simulated spectrum of a (H2 rich) super-Earth exoplanet (GL581-like, M3, 6 pc, 20 transits)
Clampin, 2009
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MIRI
• transit spectroscopy (probably not as performant as NIRCAM/NIRspec, TBC)
• imaging (++)
• spectral deconvolution using the MRS
A couple of (non exhaustive) niches concerning telluric planets !
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The molten exo-Earths opportunity
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Miller-ricci et al., 2009
•No atmosphere 100 000 yr cooling time
•Atmosphere 1-10 Myr cooling time
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Exo-rings
SECP rings can survive on Gyr-timescales !
Pantin et al., in prep
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Exo-rings
Detection limit
"Fomalhaut b-like" ring
Circumstellar disks
Spectroscopy of PP disks
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Spectroscopy of PP disks : a key program for MIRI GTO observations
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Full inventory of organic (pre-biotic) species :
o NH3
o C6H6
o CH4
o HCO+
o HCN
Full inventory of organic (pre-biotic) species :
o NH3
o C6H6
o CH4
o HCO+
o HCN
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THE MIRI GTO imaging proposal on proto-planeteary disks
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Goals
study:
large-scale geometry of the disks: MIRI tremendous sensitivity allows to observe the disks up to very large distances from the star
for the first time, a large sample of T-Tauri disks are observable/resolvable in the mid-IR
disks (dust) vertical structure dust settling dust coagulation disks stratification
search for forming/formed planets signature: direct detection of forming protoplanet is highly unlikely (brightness peak@accreting phase ?)
embedded massive bodies produce structures in disks:o gapso bright rimso asymmetries
MIRI study of Large Scale Structure of
Protoplanetary Disks
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What do we observe in the mid-IR range ?
• Mainly the thermal emission from heated dust grains
• Mainly the inner rim (1500 K) that produces >90% of the total 10 m flux (continuum)
coronagraphic mode is compulsory to avoid detector saturation (Fmax=20 mJy) and decrease photon noise
• Once, the inner rim masked/subtracted, the thermal emission produced at the disks' surface (=1), on intermediate distance scales (3-100 AU)
• PAH emission (7.7, 8.6, 11.3 m) on larger scales ( Rout)
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~1 AU,10 mas
~100 AU
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Large Scale Parameters
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StarQuickTime™ et un
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measure: scale height at a given distanceflaring parameterdust sizes vs distancedust composition vs distance
indirect indications/constraints on:
gas contentturbulence (small grains)surface density
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HD97048 8.6 m VLT/VISIR(Lagage et al. 2006)
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Disks in "transition" phase
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HD 95881 model sketch
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Continuum profiles
In the case of Herbig disks, the PAH emission (8.6, 11.3 m) is brighter and more extended than continuum emission
MIRI MIRI
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Scattered mid-IR emission
MIRI study of Disks Vertical Structure
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Disks appareance
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PAH dominated spectrum
Disks appareance as a probe of dust settling
Signatures of giant planets formation in PP disks
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Simulated observations of a PP disk with a giant exoplanet
ELT/METIS (2018 + ?)1 Mj@20 AU
d = 100 pc
Herbig Ae-type disk
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Why "long-wavelength" data (>20 m) are also very important ?
HD142527 Q2 PSF subtracted
PSF subtraction
Verhoeff et al., 2010, submitted
11.8 m
19 m19 m
11.8 m
1"
HD142527 Herbig starVISIR image SiC (10.8 um)
= 18.7 m
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The MIRI disks imaging GTO sample
• 10.6, 11.4, 15.5, 23 m coronagraphic imaging
• 10 Herbig / 14 T-Tauri / 2 brown dwarves
• A large sample of moderately inclined disks
• A handful of almost edge-on disks ("disk tomography", direct imaging)
• a selection of "transition disks" (last stages of planet formation ???)
• Several star forming regions/evolutionary stages represented (Chameleon, Taurus-Aurigae, Scorpus, Ophiuchi
• Good overlap/complementarity with the spectroscopic program
Imaging of debris disks
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NIRCAM imaging
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Pic-like disk @ 100 pc
residual wavefront error
(~ 200 "zodis")
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MIRI imaging
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Complementary with existing/future facilities
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Conclusions
no major step in angular resolution capabilities (~ground)
not an exoplanets "hunter"
but
amazing sensitivity (extended sources !) and stability: 103 gain factor
full set of space-born coronagraphic capabilities 2-25 m
JWST will characterize wide separation (5-100 AU) giant exoplanets (M>Ms) and discover new ones around faint (M) stars
spectroscopy of giant exoplanets R=10 R=3000
unique to detect/characterize thermal emission ( scattered emission) of disks
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28-30/05/2010 KielDisks and exoplanets : sciences cases for interferometry
Things the JWST cannot (or badly) do
• faint stars (M!), no AO limitation
• PSF subtraction• very long integrations• follow-ups
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Compared performances
ELT/METIS(see M.Kissler-Patig presentation, B.Brandl poster)
good sensitivity to point sources and peaky structures (~25 Jy at 10 m)
excellent angular resolution (0.05"/10 m), direct imaging of planetary regions (r<30 AU) in closest disks (d<150 pc) will be achievable
very limited sensitivity (~10 mJy/"2, nul in some cases !) to extended emission
JWST/MIRI(see A.Glasse presentation)
very good sensitivity to point sources (~1 Jy at 10 m)
angular resolution (0.3" at 10 m) comparable to that of current 8m-class telescopes instruments (e.g. VISIR)
awesome sensitivity to extended emission (~1 Jy/"2 at 10 m)
Same wavelength coverage, high level of complementary Same wavelength coverage, high level of complementary between extended source sensitivity/angular resolutionbetween extended source sensitivity/angular resolution Same wavelength coverage, high level of complementary Same wavelength coverage, high level of complementary between extended source sensitivity/angular resolutionbetween extended source sensitivity/angular resolution