Upgrading the high contrast imaging facility SPHERE: science drivers and instrument choices

arXiv (Cornell University)

Abstract

SPHERE+ is a proposed upgrade of the SPHERE instrument at the VLT, which is intended to boost the current performances of detection and characterization for exoplanets and disks. SPHERE+ will also serve as a demonstrator for the future planet finder (PCS) of the European ELT. The main science drivers for SPHERE+ are 1/ to access the bulk of the young giant planet population down to the snow line ($3-10$ au), to bridge the gap with complementary techniques (radial velocity, astrometry); 2/ to observe fainter and redder targets in the youngest ($1-10$\,Myr) associations compared to those observed with SPHERE to directly study the formation of giant planets in their birth environment; 3/ to improve the level of characterization of exoplanetary atmospheres by increasing the spectral resolution in order to break degeneracies in giant planet atmosphere models. Achieving these objectives requires to increase the bandwidth of the xAO system (from $\sim$1 to 3\,kHz) as well as the sensitivity in the infrared (2 to 3\,mag). These features will be brought by a second stage AO system optimized in the infrared with a pyramid wavefront sensor. As a new science instrument, a medium resolution integral field spectrograph will provide a spectral resolution from 1000 to 5000 in the J and H bands. This paper gives an overview of the science drivers, requirements and key instrumental trade-off that were done for SPHERE+ to reach the final selected baseline concept.

Authors 74

1. Anthony Boccaletti

   Centre National de la Recherche Scientifique · Université Paris Cité · Université Paris Sciences et Lettres · Observatoire de Paris · Sorbonne Université · Laboratoire d’études spatiales et d’instrumentation en astrophysique

   Affiliation as printed

   LESIA , Observatoire de Paris , Université PSL , CNRS , Sorbonne Université , Université de Paris Cité , 5 place Jules Janssen , 92195 Meudon , France

2. G. Chauvin

   Centre National de la Recherche Scientifique · Université Côte d'Azur · Lagrange Laboratory · Observatoire de la Côte d’Azur

   Affiliation as printed

   Université Côte d'Azur , Observatoire de la Côte d'Azur , CNRS , Laboratoire Lagrange , France

3. F. Wildi

   University of Geneva

   Affiliation as printed

   Départment d'astronomie de l' Université de Genève , 51 ch. des Maillettes Sauverny , 1290 Versoix , Switzerland

4. J. Milli

   Centre National de la Recherche Scientifique · Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble

   Affiliation as printed

   Univ. Grenoble Alpes , CNRS , IPAG , 38000 Grenoble , France

5. E. Stadler

   Centre National de la Recherche Scientifique · Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble

   Affiliation as printed

   Univ. Grenoble Alpes , CNRS , IPAG , 38000 Grenoble , France

6. Emiliano Diolaiti

   Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica di Bologna

   Affiliation as printed

   INAF Osservatorio di Astrofisica e Scienza dello Spazio di Bologna , Via P. Gobetti 93/3 , 40129 , Bologna , Italy

7. R. Gratton

   Osservatorio Astronomico di Padova

   Affiliation as printed

   INAF Osservatorio Astronomico di Padova , Vicolo dell'Osservatorio 5 , 35122 , Padova , Italy

8. Fabrice Vidal

   Centre National de la Recherche Scientifique · Université Paris Cité · Université Paris Sciences et Lettres · Observatoire de Paris · Sorbonne Université · Laboratoire d’études spatiales et d’instrumentation en astrophysique

   Affiliation as printed

   LESIA , Observatoire de Paris , Université PSL , CNRS , Sorbonne Université , Université de Paris Cité , 5 place Jules Janssen , 92195 Meudon , France

9. M. Loupias

   Lyon 1 Université · Centre National de la Recherche Scientifique · Centre de Recherche Astrophysique de Lyon

   Affiliation as printed

   Univ Lyon , Univ Lyon1 , Ens de Lyon , CNRS , Centre de Recherche Astrophysique de Lyon UMR5574 , F-69230 , Saint-Genis-Laval , France

10. M. Langlois

    Lyon 1 Université · Centre National de la Recherche Scientifique · Centre de Recherche Astrophysique de Lyon

    Affiliation as printed

    Univ Lyon , Univ Lyon1 , Ens de Lyon , CNRS , Centre de Recherche Astrophysique de Lyon UMR5574 , F-69230 , Saint-Genis-Laval , France

11. F. Cantalloube

    Centre National de la Recherche Scientifique · Aix-Marseille Université · Laboratoire d’Astrophysique de Marseille

    Affiliation as printed

    Aix Marseille Université , CNRS , LAM , UMR 7326 , 13388 , Marseille , France

12. M. N'Diaye

    Centre National de la Recherche Scientifique · Université Côte d'Azur · Lagrange Laboratory · Observatoire de la Côte d’Azur

    Affiliation as printed

    Université Côte d'Azur , Observatoire de la Côte d'Azur , CNRS , Laboratoire Lagrange , France

13. ‪Damien Gratadour‬

    Centre National de la Recherche Scientifique · Université Paris Cité · Université Paris Sciences et Lettres · Observatoire de Paris · Sorbonne Université · Laboratoire d’études spatiales et d’instrumentation en astrophysique

    Affiliation as printed

    LESIA , Observatoire de Paris , Université PSL , CNRS , Sorbonne Université , Université de Paris Cité , 5 place Jules Janssen , 92195 Meudon , France

14. Florian Ferreira

    Centre National de la Recherche Scientifique · Université Paris Cité · Université Paris Sciences et Lettres · Observatoire de Paris · Sorbonne Université · Laboratoire d’études spatiales et d’instrumentation en astrophysique

    Affiliation as printed

    LESIA , Observatoire de Paris , Université PSL , CNRS , Sorbonne Université , Université de Paris Cité , 5 place Jules Janssen , 92195 Meudon , France

15. Michel Tallon

    Lyon 1 Université · Centre National de la Recherche Scientifique · Centre de Recherche Astrophysique de Lyon

    Affiliation as printed

    Univ Lyon , Univ Lyon1 , Ens de Lyon , CNRS , Centre de Recherche Astrophysique de Lyon UMR5574 , F-69230 , Saint-Genis-Laval , France

16. Johan Mazoyer

    Centre National de la Recherche Scientifique · Université Paris Cité · Université Paris Sciences et Lettres · Observatoire de Paris · Sorbonne Université · Laboratoire d’études spatiales et d’instrumentation en astrophysique

    Affiliation as printed

    LESIA , Observatoire de Paris , Université PSL , CNRS , Sorbonne Université , Université de Paris Cité , 5 place Jules Janssen , 92195 Meudon , France

17. D. Segransan

    University of Geneva

    Affiliation as printed

    Départment d'astronomie de l' Université de Genève , 51 ch. des Maillettes Sauverny , 1290 Versoix , Switzerland

18. David Mouillet

    Centre National de la Recherche Scientifique · Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble

    Affiliation as printed

    Univ. Grenoble Alpes , CNRS , IPAG , 38000 Grenoble , France

19. J. -L. Beuzit

    Centre National de la Recherche Scientifique · Aix-Marseille Université · Laboratoire d’Astrophysique de Marseille

    Affiliation as printed

    Aix Marseille Université , CNRS , LAM , UMR 7326 , 13388 , Marseille , France

20. M. Bonnefoy

    Centre National de la Recherche Scientifique · Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble

    Affiliation as printed

    Univ. Grenoble Alpes , CNRS , IPAG , 38000 Grenoble , France

21. R. Galicher

    Centre National de la Recherche Scientifique · Université Paris Cité · Université Paris Sciences et Lettres · Observatoire de Paris · Sorbonne Université · Laboratoire d’études spatiales et d’instrumentation en astrophysique

    Affiliation as printed

    LESIA , Observatoire de Paris , Université PSL , CNRS , Sorbonne Université , Université de Paris Cité , 5 place Jules Janssen , 92195 Meudon , France

22. A. Vigan

    Centre National de la Recherche Scientifique · Aix-Marseille Université · Laboratoire d’Astrophysique de Marseille

    Affiliation as printed

    Aix Marseille Université , CNRS , LAM , UMR 7326 , 13388 , Marseille , France

23. Ignas A. G. Snellen Aachen Leiden Observatory

    Leiden University · Leiden Observatory

    Affiliation as printed

    Leiden Observatory , Leiden University , PO Box 9513 , 2300 RA Leiden , The Netherlands

24. M. Feldt

    Max Planck Institute for Astronomy

    Affiliation as printed

    Max Planck Institute for Astronomy , Königstuhl 17 , D-69117 Heidelberg , Germany

25. S. Desidera

    Osservatorio Astronomico di Padova

    Affiliation as printed

    INAF Osservatorio Astronomico di Padova , Vicolo dell'Osservatorio 5 , 35122 , Padova , Italy

26. S. Rousseau

    Centre National de la Recherche Scientifique · Université Côte d'Azur · Lagrange Laboratory · Observatoire de la Côte d’Azur

    Affiliation as printed

    Université Côte d'Azur , Observatoire de la Côte d'Azur , CNRS , Laboratoire Lagrange , France

27. Andrea Baruffolo

    Osservatorio Astronomico di Padova

    Affiliation as printed

    INAF Osservatorio Astronomico di Padova , Vicolo dell'Osservatorio 5 , 35122 , Padova , Italy

28. Charles Goulas

    Centre National de la Recherche Scientifique · Université Paris Cité · Université Paris Sciences et Lettres · Observatoire de Paris · Sorbonne Université · Laboratoire d’études spatiales et d’instrumentation en astrophysique

    Affiliation as printed

    LESIA , Observatoire de Paris , Université PSL , CNRS , Sorbonne Université , Université de Paris Cité , 5 place Jules Janssen , 92195 Meudon , France

29. Pierre Baudoz

    Centre National de la Recherche Scientifique · Université Paris Cité · Université Paris Sciences et Lettres · Observatoire de Paris · Sorbonne Université · Laboratoire d’études spatiales et d’instrumentation en astrophysique

    Affiliation as printed

    LESIA , Observatoire de Paris , Université PSL , CNRS , Sorbonne Université , Université de Paris Cité , 5 place Jules Janssen , 92195 Meudon , France

30. Clémentine Béchet

    Lyon 1 Université · Centre National de la Recherche Scientifique · Centre de Recherche Astrophysique de Lyon

    Affiliation as printed

    Univ Lyon , Univ Lyon1 , Ens de Lyon , CNRS , Centre de Recherche Astrophysique de Lyon UMR5574 , F-69230 , Saint-Genis-Laval , France

31. M. Benisty

    Centre National de la Recherche Scientifique · Université Côte d'Azur · Lagrange Laboratory · Observatoire de la Côte d’Azur

    Affiliation as printed

    Université Côte d'Azur , Observatoire de la Côte d'Azur , CNRS , Laboratoire Lagrange , France

32. A. Bianco

    Brera Astronomical Observatory

    Affiliation as printed

    INAF Osservatorio Astronomico di Brera , Via Brera 28 , 20121 , Milano , Italy

33. B. Carry

    Centre National de la Recherche Scientifique · Université Côte d'Azur · Lagrange Laboratory · Observatoire de la Côte d’Azur

    Affiliation as printed

    Université Côte d'Azur , Observatoire de la Côte d'Azur , CNRS , Laboratoire Lagrange , France

34. E. Cascone

    Astronomical Observatory of Capodimonte · National Institute for Astrophysics

    Affiliation as printed

    INAF Osservatorio Astronomico di Capodimonte , Salita Moiariello 16 , 80131 Napoli , Italy

35. Benjamin Charnay

    Centre National de la Recherche Scientifique · Université Paris Cité · Université Paris Sciences et Lettres · Observatoire de Paris · Sorbonne Université · Laboratoire d’études spatiales et d’instrumentation en astrophysique

    Affiliation as printed

    LESIA , Observatoire de Paris , Université PSL , CNRS , Sorbonne Université , Université de Paris Cité , 5 place Jules Janssen , 92195 Meudon , France

36. Élodie Choquet

    Centre National de la Recherche Scientifique · Aix-Marseille Université · Laboratoire d’Astrophysique de Marseille

    Affiliation as printed

    Aix Marseille Université , CNRS , LAM , UMR 7326 , 13388 , Marseille , France

37. Valentin Christiaens

    University of Liège

    Affiliation as printed

    Space sciences, Technologies and Astrophysics Research (STAR) Institute , University of Liège , 19C allée du Six Août , 4000 Liège , Belgium

38. Fausto Cortecchia

    Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica di Bologna

    Affiliation as printed

    INAF Osservatorio di Astrofisica e Scienza dello Spazio di Bologna , Via P. Gobetti 93/3 , 40129 , Bologna , Italy

39. Vincenzo De Caprio
40. A. de Rosa

    Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica di Bologna

    Affiliation as printed

    INAF Osservatorio di Astrofisica e Scienza dello Spazio di Bologna , Via P. Gobetti 93/3 , 40129 , Bologna , Italy

41. C. Desgrange

    Centre National de la Recherche Scientifique · Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble

    Affiliation as printed

    Univ. Grenoble Alpes , CNRS , IPAG , 38000 Grenoble , France

42. V. D'Orazi

    Osservatorio Astronomico di Padova

    Affiliation as printed

    INAF Osservatorio Astronomico di Padova , Vicolo dell'Osservatorio 5 , 35122 , Padova , Italy

43. S. Douté

    Centre National de la Recherche Scientifique · Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble

    Affiliation as printed

    Univ. Grenoble Alpes , CNRS , IPAG , 38000 Grenoble , France

44. M. Frangiamore

    Brera Astronomical Observatory

    Affiliation as printed

    INAF Osservatorio Astronomico di Brera , Via Brera 28 , 20121 , Milano , Italy

45. Eric Gendron

    Centre National de la Recherche Scientifique · Université Paris Cité · Université Paris Sciences et Lettres · Observatoire de Paris · Sorbonne Université · Laboratoire d’études spatiales et d’instrumentation en astrophysique

    Affiliation as printed

    LESIA , Observatoire de Paris , Université PSL , CNRS , Sorbonne Université , Université de Paris Cité , 5 place Jules Janssen , 92195 Meudon , France

46. C. Ginski Aachen Leiden Observatory

    Leiden University · Leiden Observatory

    Affiliation as printed

    Leiden Observatory , Leiden University , PO Box 9513 , 2300 RA Leiden , The Netherlands

47. Elsa Huby

    Centre National de la Recherche Scientifique · Université Paris Cité · Université Paris Sciences et Lettres · Observatoire de Paris · Sorbonne Université · Laboratoire d’études spatiales et d’instrumentation en astrophysique

    Affiliation as printed

    LESIA , Observatoire de Paris , Université PSL , CNRS , Sorbonne Université , Université de Paris Cité , 5 place Jules Janssen , 92195 Meudon , France

48. Christoph U. Keller Aachen Leiden Observatory

    Leiden University · Leiden Observatory

    Affiliation as printed

    Leiden Observatory , Leiden University , PO Box 9513 , 2300 RA Leiden , The Netherlands

49. Caroline Kulcsár

    Centre National de la Recherche Scientifique · Université Paris-Saclay · Laboratoire Charles Fabry

    Affiliation as printed

    Université Paris-Saclay , Institut d'Optique Graduate School , CNRS , Laboratoire Charles Fabry , Palaiseau , France

50. Rico Landman Aachen Leiden Observatory

    Leiden University · Leiden Observatory

    Affiliation as printed

    Leiden Observatory , Leiden University , PO Box 9513 , 2300 RA Leiden , The Netherlands

51. S. Lagarde

    Centre National de la Recherche Scientifique · Université Côte d'Azur · Lagrange Laboratory · Observatoire de la Côte d’Azur

    Affiliation as printed

    Université Côte d'Azur , Observatoire de la Côte d'Azur , CNRS , Laboratoire Lagrange , France

52. E. Lagadec

    Centre National de la Recherche Scientifique · Université Côte d'Azur · Lagrange Laboratory · Observatoire de la Côte d’Azur

    Affiliation as printed

    Université Côte d'Azur , Observatoire de la Côte d'Azur , CNRS , Laboratoire Lagrange , France

53. A.‐M. Lagrange

    Centre National de la Recherche Scientifique · Université Paris Cité · Université Paris Sciences et Lettres · Observatoire de Paris · Sorbonne Université · Laboratoire d’études spatiales et d’instrumentation en astrophysique

    Affiliation as printed

    LESIA , Observatoire de Paris , Université PSL , CNRS , Sorbonne Université , Université de Paris Cité , 5 place Jules Janssen , 92195 Meudon , France

54. M. Lombini M. Kasper

    European Southern Observatory

    Affiliation as printed

    European Southern Observatory , Karl-Schwarzschild-Str. 2 , 85748 , Garching , Germany

55. F. Ménard

    Centre National de la Recherche Scientifique · Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble

    Affiliation as printed

    Univ. Grenoble Alpes , CNRS , IPAG , 38000 Grenoble , France

56. Y. Magnard

    Centre National de la Recherche Scientifique · Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble

    Affiliation as printed

    Univ. Grenoble Alpes , CNRS , IPAG , 38000 Grenoble , France

57. Giuseppe Malaguti

    Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica di Bologna

    Affiliation as printed

    INAF Osservatorio di Astrofisica e Scienza dello Spazio di Bologna , Via P. Gobetti 93/3 , 40129 , Bologna , Italy

58. D. Maurel

    Centre National de la Recherche Scientifique · Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble

    Affiliation as printed

    Univ. Grenoble Alpes , CNRS , IPAG , 38000 Grenoble , France

59. D. Mesa

    Osservatorio Astronomico di Padova

    Affiliation as printed

    INAF Osservatorio Astronomico di Padova , Vicolo dell'Osservatorio 5 , 35122 , Padova , Italy

60. Gianluca Morgante

    Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica di Bologna

    Affiliation as printed

    INAF Osservatorio di Astrofisica e Scienza dello Spazio di Bologna , Via P. Gobetti 93/3 , 40129 , Bologna , Italy

61. E. Pantin

    Centre National de la Recherche Scientifique · Université Paris Cité · Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives · Université Paris-Saclay · Astrophysique, Instrumentation et Modélisation

    Affiliation as printed

    Université Paris-Saclay , Université Paris Cité , CEA , CNRS , AIM , 91191 , Gif-sur-Yvette , France

62. T. Pichon

    Centre National de la Recherche Scientifique · Université Paris Cité · Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives · Université Paris-Saclay · Astrophysique, Instrumentation et Modélisation

    Affiliation as printed

    Université Paris-Saclay , Université Paris Cité , CEA , CNRS , AIM , 91191 , Gif-sur-Yvette , France

63. Axel Potier

    California Institute of Technology · Jet Propulsion Laboratory

    Affiliation as printed

    Jet Propulsion Laboratory , California Institute of Technology , 4800 Oak Grove Drive , Pasadena , CA 91109

64. P. Rabou

    Centre National de la Recherche Scientifique · Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble

    Affiliation as printed

    Univ. Grenoble Alpes , CNRS , IPAG , 38000 Grenoble , France

65. S. Rochat

    Centre National de la Recherche Scientifique · Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble

    Affiliation as printed

    Univ. Grenoble Alpes , CNRS , IPAG , 38000 Grenoble , France

66. L. Terenzi
67. Éric Thiébaut

    Lyon 1 Université · Centre National de la Recherche Scientifique · Centre de Recherche Astrophysique de Lyon

    Affiliation as printed

    Univ Lyon , Univ Lyon1 , Ens de Lyon , CNRS , Centre de Recherche Astrophysique de Lyon UMR5574 , F-69230 , Saint-Genis-Laval , France

68. I. Tallon-Bosc
69. Henri-François G. Raynaud
70. Daniel Rouan
71. Arnaud Sevin
72. F. Schiavone
73. L. Schreiber
74. Alessio Zanutta

    Brera Astronomical Observatory

    Affiliation as printed

    INAF Osservatorio Astronomico di Brera , Via Brera 28 , 20121 , Milano , Italy