A Feasibility Study on the Direct Imaging of Exoplanets with the DAG Telescope

Year 2025, Volume: 6 Issue: 2, 28 - 49

Seda Kaptan , Sinan Aliş , Özgür Baştürk

https://doi.org/10.55064/tjaa.1751792

Abstract

The 4-meter DAG Telescope, recently installed at the Eastern Anatolian Observatory, is equipped with a coronagraph, an instrument employed only on a few telescopes worldwide. Direct imaging observations, coupled with the telescope's adaptive optics correction, will allow the identification of planets, brown dwarfs, or stellar components around stars. In this study, contrast ratios of known planetary systems with orbital periods longer than one year were computed in order to determine the systems suitable for direct imaging observations with the PLACID instrument which is going to be operational at the diffraction limited focus of the telescope. The method for these calculations was tested with a directly imaged control sample compiled from the literature. Planet-to-host star contrast ratios were calculated for 356 of the 685 systems compiled from reliable exoplanet catalogs. Among those 356 systems, 21 were identified as suitable for direct imaging with the DAG Telescope.

Keywords

exoplanets , techniques: high angular resolution , instrumentation: adaptive optics

Project Number

FBA-2022-39121, FBA-2023-2698

DAG Teleskobu ile Ötegezegenlerin Doğrudan Görüntülenmesi Üzerine Bir Öngörü Çalışması

Abstract

Doğu Anadolu Gözlemevi'nde kurulumu tamamlanmış olan 4m'lik DAG Teleskobu dünyada yalnızca birkaç teleskopta bulunan koronografla donatılmış durumdadır. Doğrudan görüntüleme tekniği ile yapılacak gözlemler, teleskobun adaptif optik düzeltmesinin de yardımıyla yıldızların etrafında gezegen, kahverengi cüce veya yıldız bileşenlerinin belirlenmesine olanak tanıyacaktır. Bu çalışmada bilinen ötegezegen sistemlerinden yörünge periyodu bir yıldan büyük olan sistemlerin kontrast değerleri hesaplanmaya çalışılmış ve DAG Teleskobunun kırınım sınırlı odağında çalışacak olan PLACID koronografıyla görüntülenebilecek olan sistemler belirlenmiştir. Hesaplamaların doğruluğu literatürden derlenen doğrudan görüntülenmiş bir kontrol örneklemi ile test edilmiştir. Güvenilir ötegezegen kataloglarından derlenen 685 sistemden 356'sının gezegen/barınak yıldız kontrast oranı hesaplanabilmiştir. Kontrast değerleri elde edilen 356 sistemden 21'inin DAG Teleskobu ile görüntülenebileceği tespit edilmiştir.

Keywords

exoplanets , techniques: high angular resolution , instrumentation: adaptive optics

Supporting Institution

İstanbul Üniversitesi, Ankara Üniversitesi, Yükseköğretim Kurulu, TÜBİTAK

Project Number

FBA-2022-39121, FBA-2023-2698

Thanks

Bu çalışma İstanbul Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinasyon Birimi tarafından FBA-2022-39121 numaralı ADEP projesi kapsamında ve Ankara Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinatörlüğü tarafından FBA-2023-2698 numaralı ADEP projesiyle desteklenmiştir. Seda Kaptan TÜBİTAK 2211-A ve YÖK 100/2000 programları tarafından desteklenmiştir.

References

• Ahn K., ve dig., 2023, A&A, 673, A29
• Alis S., Kaptan S., Bastürk Ö., Yesilyaprak C., 2024, in EAS2024,European Astronomical Society Annual Meeting. p. 249
• Allard F., 2014, in Booth M., Matthews B. C., Graham J. R., eds, IAU Symposium Vol. 299, Exploring the Formation and Evolution of Planetary Systems. pp 271–272, doi:10.1017/S1743921313008545
• Arras P., Bildsten L., 2006, ApJ, 650, 394
• Balbay R., Tugrul Tezcan C., Shaemoni Niaei M., Satır O., Yesilyaprak C., 2020, in Pizzo R., Deul E. R., Mol J. D., dePlaa J., Verkouter H., eds, Astronomical Society of the Pacific Conference Series Vol. 527, Astronomical Data Analysis Software and Systems XXIX. p. 567
• Baraffe I., Chabrier G., Barman T. S., Allard F., Hauschildt P. H., 2003, A&A, 402, 701
• Bayo A., Rodrigo C., Barrado Y Navascués D., Solano E., Gutiérrez R., Morales-Calderón M., Allard F., 2008, A&A, 492, 277
• Bear E., Soker N., 2014, MNRAS, 444, 1698
• Beichman C., ve dig., 2025, AJ, 169, 17
• Bessell M. S., Castelli F., Plez B., 1998, A&A, 333, 231, ADS
• Best W. M. J., Liu M. C., Dupuy T. J., Magnier E. A., 2017, ApJ, 843, L4
• Beuzit J. L., ve dig., 2019, A&A, 631, A155
• Biller B. A., ve dig., 2010, ApJ, 720, L82
• Bohn A. J., ve dig., 2021, A&A, 648, A73
• Bonavita M., ve dig., 2022, MNRAS, 513, 5588
• Bonnefoy M., ve dig., 2013, A&A, 555, A107
• Boss A. P., 1997, Science, 276, 1836
• Bowler B. P., Liu M. C., Shkolnik E. L., Dupuy T. J., 2013, ApJ, 774, 55
• Cameron A. G. W., 1978, Structure and evolution of giant gaseous protoplanets., Reports of planetary geology program, 1977 - 1978, p. 13 - 15
• Carson J., ve dig., 2013, ApJ, 763, L32
• Castelli F., Kurucz R. L., 2003, in Piskunov N., Weiss W. W., Gray D. F., eds, IAU Symposium Vol. 210, Modelling of Stellar Atmospheres. p. A20 (arXiv:astro-ph/0405087), doi:10.48550/arXiv.astro-ph/0405087
• Chauvin G., 2018, in Close L. M., Schreiber L., Schmidt D., eds, Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE) Conference Series Vol. 10703, Adaptive Optics Systems VI. p. 1070305 (arXiv:1808.02454), doi:10.1117/12.2314273
• Chauvin G., Lagrange A. M., Dumas C., Zuckerman B., Mouillet D., Song I., Beuzit J. L., Lowrance P., 2004, A&A, 425, L29
• Chauvin G., ve dig., 2017, A&A, 605, L9
• Cheetham A., ve dig., 2018, A&A, 615, A160
• Choi J., Dotter A., Conroy C., Cantiello M., Paxton B., Johnson B. D., 2016, ApJ, 823, 102
• Cugno G., ve dig., 2019, A&A, 622, A156
• Currie T., ve dig., 2020, ApJ, 904, L25
• Currie T., ve dig., 2022, Nature Astronomy, 6, 751
• Currie T., ve dig., 2023a, Science, 380, 198
• Currie T., Biller B., Lagrange A., Marois C., Guyon O., Nielsen E. L., Bonnefoy M., De Rosa R. J., 2023b, in Inutsuka S., Aikawa Y., Muto T., Tomida K., Tamura M., eds, Astronomical Society of the Pacific Conference Series Vol. 534, Protostars and Planets VII. p. 799 (arXiv:2205.05696), doi:10.48550/arXiv.2205.05696
• Dalcanton J., ve dig., 2015, preprint, (arXiv:1507.04779)
• Davies R., Kasper M., 2012, ARA&A, 50, 305
• De Rosa R. J., Nielsen E. L., Wahhaj Z., Ruffio J.-B., Kalas P. G., Peck A. E., Hirsch L. A., Roberson W., 2023, A&A, 672, A94
• Dotter A., 2016, ApJS, 222, 8
• Dupuy T. J., Liu M. C., Ireland M. J., 2009, ApJ, 699, 168
• Esposito S., ve dig., 2013, A&A, 549, A52
• Farinato J., ve dig., 2018, preprint, (arXiv:1808.00364)
• Fontanive C., ve dig., 2020, ApJ, 905, L14
• Foreman-Mackey D., Hogg D. W., Lang D., Goodman J., 2013, PASP, 125, 306
• Gaidos E., ve dig., 2022, MNRAS, 512, 583
• Geißler K., Metchev S. A., Pham A., Larkin J. E., McElwain M., Hillenbrand L. A., 2012, ApJ, 746, 44
• Goldman B., Marsat S., Henning T., Clemens C., Greiner J., 2010, MNRAS, 405, 1140
• Goldreich P., Ward W. R., 1973, ApJ, 183, 1051
• Guyon O., 2018, ARA&A, 56, 315
• Hauschildt P. H., Baron E., 1999, Journal of Computational and Applied Mathematics, 109, 41
• Hayashi C., Nakazawa K., Nakagawa Y., 1985, in Black D. C., Matthews M. S., eds, Protostars and Planets II. pp 1100–1153
• Hinkley S., ve dig., 2011, PASP, 123, 74
• Husser T. O., Wende-von Berg S., Dreizler S., Homeier D., Reiners A., Barman T., Hauschildt P. H., 2013, A&A, 553, A6
• Jensen-Clem R., ve dig., 2016, ApJ, 820, 111
• Johnson-Groh M., ve dig., 2017, AJ, 153, 190
• Jovanovic N., ve dig., 2015, PASP, 127, 890
• Keppler M., ve dig., 2018, A&A, 617, A44
• Keskin O., Jolissaint L., Bouxin A., Yesilyaprak C., 2020, in Schreiber L., Schmidt D., Vernet E., eds, Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE) Conference Series Vol. 11448, Adaptive Optics Systems VII. p. 114481P, doi:10.1117/12.2560528
• Keskin O., Jolissaint L., Bouxin A., Yesilyaprak C., 2022, in Schreiber L., Schmidt D., Vernet E., eds, Society of Photo- Optical Instrumentation Engineers (SPIE) Conference Series Vol. 12185, Adaptive Optics Systems VIII. p. 121851W, doi:10.1117/12.2630893
• Konopacky Q. M., ve dig., 2016, ApJ, 829, L4
• Kostov V. B., ve dig., 2016, ApJ, 827, 86
• Kraus A. L., Ireland M. J., Cieza L. A., Hinkley S., Dupuy T. J., Bowler B. P., Liu M. C., 2014, ApJ, 781, 20
• Kühn J., ve dig., 2018, in Evans C. J., Simard L., Takami H., eds, Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE) Conference Series Vol. 10702, Ground-based and Airborne Instrumentation for Astronomy VII. p. 1070242 (arXiv:1808.00585), doi:10.1117/12.2313448
• Kühn J. G., Jolissaint L., Bouxin A., Patapis P., 2021, preprint, (arXiv:2102.03201)
• Kühn J. G., ve dig., 2024, in Bryant J. J., Motohara K., Vernet J. R. D., eds, Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE) Conference Series Vol. 13096, Ground-based and Airborne Instrumentation for Astronomy X. p. 130961M, doi:10.1117/12.3018830
• Kuiper G. P., 1951, Proceedings of the National Academy of Science, 37, 383
• Kurucz R., 1993, Robert Kurucz CD-ROM, 13, ADS
• Lagrange A. M., ve dig., 2010, Science, 329, 57
• Lin L., Potier A., Tandon R., Jolissaint L., Baur A., Õztürk Çetni D., Kühn J., 2024, in European Planetary Science Congress. pp EPSC2024–940, doi:10.5194/epsc2024-940
• Liu M. C., ve dig., 2011, ApJ, 740, 108
• Liu M. C., Dupuy T. J., Bowler B. P., Leggett S. K., Best W. M. J., 2012, ApJ, 758, 57
• Luhman K. L., ve dig., 2006, ApJ, 649, 894
• Luhman K. L., Mamajek E. E., Allen P. R., Muench A. A., Finkbeiner D. P., 2009, ApJ, 691, 1265
• Macintosh B., ve dig., 2015, Science, 350, 64
• Mai X., Mutel R. L., 2022, MNRAS, 513, 2478
• Maire A. L., ve dig., 2021, The Messenger, 183, 7
• Mamajek E. E., ve dig., 2015, preprint, (arXiv:1510.07674)
• Marley M. S., Fortney J. J., Hubickyj O., Bodenheimer P., Lissauer J. J., 2007, ApJ, 655, 541
• Marois C., Lafrenière D., Doyon R., Macintosh B., Nadeau D., 2006, ApJ, 641, 556
• Marois C., Lafrenière D., Macintosh B., Doyon R., 2008, ApJ, 673, 647
• Matthews E. C., ve dig., 2024, Nature, 633, 789
• Meshkat T., ve dig., 2013, ApJ, 775, L40
• Miller N., Fortney J. J., 2011, ApJ, 736, L29
• Monnier J. D., ve dig., 2012, ApJ, 761, L3
• Müller S., Helled R., 2021, MNRAS, 507, 2094
• Müller S., Helled R., 2023, Frontiers in Astronomy and Space Sciences, 10, 1179000
• Müller S., Baron J., Helled R., Bouchy F., Parc L., 2024, A&A, 686, A296
• N’Diaye M., ve dig., 2016, A&A, 592, A79
• Nielsen E. L., ve dig., 2012, ApJ, 750, 53
• Nikouravan B., 2021, International Journal of Fundamental Physical Sciences, 11, 17
• Oppenheimer B. R., ve dig., 2008, ApJ, 679, 1574
• Otegi J. F., Bouchy F., Helled R., 2020, A&A, 634, A43
• Paxton B., Bildsten L., Dotter A., Herwig F., Lesaffre P., Timmes F., 2011, ApJS, 192, 3
• Pollack J. B., Hubickyj O., Bodenheimer P., Lissauer J. J., Podolak M., Greenzweig Y., 1996, Icarus, 124, 62
• Radigan J., Jayawardhana R., Lafrenière D., Dupuy T. J., Liu M. C., Scholz A., 2013, ApJ, 778, 36
• Ramirez S., Akeson R. L., Ciardi D., Kane S. R., Plavchan P., von Braun K., NASA Exoplanet Archive Team 2013, in American Astronomical Society Meeting Abstracts #221. p. 334.01
• Rein H., 2012, preprint, (arXiv:1211.7121)
• Reiners A., Seifahrt A., Dreizler S., 2010, A&A, 513, L9
• Safronov V. S., 1969, Evoliutsiia doplanetnogo oblaka.. Academy of Sciences of the USSR
• Schneider J., Dedieu C., Le Sidaner P., Savalle R., Zolotukhin I., 2011, A&A, 532, A79
• Tandon R., Lin L., Potier A., Jolissaint L., Baur A., Öztürk Çetni D., Kühn J. G., 2024, in Bryant J. J., Motohara K., Vernet J. R. D., eds, Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE) Conference Series Vol. 13096, Ground-based and Airborne Instrumentation for Astronomy X. p. 130963F, doi:10.1117/12.3018836
• Tezcan C. T., Satır O., 2025, Turkish Journal of Astronomy and Astrophysics, 6, 111–113
• Tezcan F., Bastürk Ö., Yesilyaprak C., Alis S., 2025, Contributions of the Astronomical Observatory Skalnate Pleso, 55, 512
• Thorngren D. P., Fortney J. J., 2018, AJ, 155, 214
• Todorov K., Luhman K. L., McLeod K. K., 2010, ApJ, 714, L84
• Ubeira Gabellini M. G., van den Ancker M., Fedele D., Lodato G., Manara C. F., 2019, Research Notes of the American Astronomical Society, 3, 61
• Vines J. I., Jenkins J. S., 2022, MNRAS, 513, 2719
• Wagner K., Apai D., Kasper M., McClure M., Robberto M., Currie T., 2020, ApJ, 902, L6
• Ward-Duong K., ve dig., 2021, AJ, 161, 5
• Ygouf M., Mugnier L. M., Mouillet D., Fusco T., Beuzit J. L., 2013, A&A, 551, A138