Observations of the young star HD 142527, whose disk is separated into inner and outer regions by a gap suggestive of the formation of a gaseous giant planet, show that accretion onto the star is maintained by a flow of gas across the gap, in agreement with dynamical models of planet formation. According to current theories, giant planet formation carves a deep gap in the gas and dust around a protostar, clearing most of the dust and some of the gas away to form a ring-shaped cavity. But such a gap would rapidly turn off further growth in the mass of the star unless the abundant gas from the outer disk could traverse it. This paper presents Atacama Large Millimeter/submillimeter Array observations of the disk around the young star HD 142527 that reveal diffuse CO inside the gap and denser HCO+ gas along gap-crossing filaments. The estimated gas flow across the gap would be sufficient to maintain accretion onto the star at the present rate. The formation of gaseous giant planets is thought to occur in the first few million years after stellar birth. Models1 predict that the process produces a deep gap in the dust component (shallower in the gas2,3,4). Infrared observations of the disk around the young star HD 142527 (at a distance of about 140 parsecs from Earth) found an inner disk about 10 astronomical units (au) in radius5 (1 au is the Earth–Sun distance), surrounded by a particularly large gap6 and a disrupted7 outer disk beyond 140 au. This disruption is indicative of a perturbing planetary-mass body at about 90 au. Radio observations8,9 indicate that the bulk mass is molecular and lies in the outer disk, whose continuum emission has a horseshoe morphology8. The high stellar accretion rate10 would deplete the inner disk11 in less than one year, and to sustain the observed accretion matter must therefore flow from the outer disk and cross the gap. In dynamical models, the putative protoplanets channel outer-disk material into gap-crossing bridges that feed stellar accretion through the inner disk12. Here we report observations of diffuse CO gas inside the gap, with denser HCO+ gas along gap-crossing filaments. The estimated flow rate of the gas is in the range of 7 × 10−9 to 2 × 10−7 solar masses per year, which is sufficient to maintain accretion onto the star at the present rate.

We present a new phase mask coronagraph consisting in an optical vortex induced by a space-variant surface relief subwavelength grating. Phase mask coronagraphy is a recent technique aiming at accommodating both high dynamic and high angular resolution imaging of faint sources around bright objects such as exoplanets orbiting their parent stars or host galaxies of active galactic nuclei. Subwavelength gratings are known to be artificially birefringent. Their unique dispersive characteristics can be controlled through the grating geometry in order to synthesize achromatic phase shifters. We show that implementing them in a ring-shaped way produces a fully symmetric and achromatic coronagraph without any gap or "dead zone." The practical manufacturing of the device is also discussed.

In this paper, we review the impact of small sample statistics on detection thresholds and corresponding confidence levels (CLs) in high contrast imaging at small angles. When looking close to the star, the number of resolution elements decreases rapidly towards small angles. This reduction of the number of degrees of freedom dramatically affects CLs and false alarm probabilities. Naively using the same ideal hypothesis and methods as for larger separations, which are well understood and commonly assume Gaussian noise, can yield up to one order of magnitude error in contrast estimations at fixed CL. The statistical penalty exponentially increases towards very small inner working angles. Even at 5-10 resolution elements from the star, false alarm probabilities can be significantly higher than expected. Here we present a rigorous statistical analysis which ensures robustness of the CL, but also imposes a substantial limitation on corresponding achievable detection limits (thus contrast) at small angles. This unavoidable fundamental statistical effect has a significant impact on current coronagraphic and future high contrast imagers. Finally, the paper concludes with practical recommendations to account for small number statistics when computing the sensitivity to companions at small angles and when exploiting the results of direct imaging planet surveys.

Abstract Using Keck Planet Imager and Characterizer high-resolution ( R ∼ 35,000) spectroscopy from 2.29 to 2.49 μ m, we present uniform atmospheric retrievals for eight young substellar companions with masses of ∼10–30 M Jup , orbital separations spanning ∼50–360 au, and T eff between ∼1500 and 2600 K. We find that all companions have solar C/O ratios and metallicities to within the 1 σ –2 σ level, with the measurements clustered around solar composition. Stars in the same stellar associations as our systems have near-solar abundances, so these results indicate that this population of companions is consistent with formation via direct gravitational collapse. Alternatively, core accretion outside the CO snowline would be compatible with our measurements, though the high mass ratios of most systems would require rapid core assembly and gas accretion in massive disks. On a population level, our findings can be contrasted with abundance measurements for directly imaged planets with m < 10 M Jup , which show tentative atmospheric metal enrichment compared to their host stars. In addition, the atmospheric compositions of our sample of companions are distinct from those of hot Jupiters, which most likely form via core accretion. For two companions with T eff ∼ 1700–2000 K ( κ And b and GSC 6214–210 b), our best-fit models prefer a nongray cloud model with >3 σ significance. The cloudy models yield 2 σ −3 σ lower T eff for these companions, though the C/O and [C/H] still agree between cloudy and clear models at the 1 σ level. Finally, we constrain 12 CO/ 13 CO for three companions with the highest signal-to-noise ratio data (GQ Lup b, HIP 79098b, and DH Tau b) and report v sin i and radial velocities for all companions.

Abstract We present the projected rotational velocity and molecular abundances for HD 33632 Ab obtained via Keck Planet Imager and Characterizer (KPIC) high-resolution spectroscopy. HD 33632 Ab is a nearby benchmark brown dwarf companion at a separation of ∼20 au that straddles the L–T transition. Using a forward-modeling framework with on-axis host star spectra, which provides self-consistent substellar atmospheric and retrieval models for HD 33632 Ab, we derive a projected rotational velocity of 53 ± 3 km s −1 and carbon monoxide and water mass fractions of logCO = −2.3 ± 0.3 and logH 2 O = −2.7 ± 0.2, respectively. The inferred carbon-to-oxygen ratio (C/O = 0.58 ± 0.14), molecular abundances, and metallicity ([C/H] = 0.0 ± 0.2 dex) of HD 33632 Ab are consistent with its host star. Although detectable methane opacities are expected in L–T transition objects, we did not recover methane in our KPIC spectra, partly due to the high v sin i and to disequilibrium chemistry at the pressures to which we are sensitive. We parameterize the spin as the ratio of rotation to the breakup velocity, and compare HD 33632 Ab to a compilation of >200 very low-mass objects ( M ≲ 0.1 M ⊙ ) that have spin measurements in the literature. There appears to be no clear trend for the isolated low-mass field objects versus mass, but a tentative trend is identified for low-mass companions and directly imaged exoplanets, similar to previous findings. A larger sample of close-in gas giant exoplanets and brown dwarfs will critically examine our understanding of their formation and evolution through rotation and chemical abundance measurements.

Abstract We present the first on-sky segmented primary mirror closed-loop piston control using a Zernike wavefront sensor (ZWFS) installed on the Keck II telescope. Segment cophasing errors are a primary contributor to contrast limits on Keck and will be necessary to correct for the next generation of space missions and ground-based extremely large telescopes, which will all have segmented primary mirrors. The goal of the ZWFS installed on Keck is to monitor and correct primary mirror cophasing errors in parallel with science observations. The ZWFS is ideal for measuring phase discontinuities such as segment cophasing errors and is one of the most sensitive WFSs, but has limited dynamic range. The vector-ZWFS at Keck works on the adaptive-optics-corrected wavefront and consists of a metasurface focal plane mask that imposes two different phase shifts on the core of the point-spread function to two orthogonal light polarizations, producing two pupil images. This design extends the dynamic range compared with the scalar ZWFS. The primary mirror segment pistons were controlled in closed loop using the ZWFS, improving the Strehl ratio on the NIRC2 science camera by up to 10 percentage points. We analyze the performance of the closed-loop tests, the impact on NIRC2 science data, and discuss the ZWFS measurements.

Directly imaging Earth-like exoplanets around Sun-like stars with the future Habitable Worlds Observatory (HWO) will require coronagraphic focal plane masks able to suppress starlight to the 1 × 10⁻¹⁰ contrast levels. Furthermore, to collect enough photons for broadband imaging and detection and to minimize the number of parallel channels for spectroscopic characterization, this level of contrast must be achieved across a 20% bandwidth. Scalar vortex coronagraphs show promise as a polarization-independent alternative to polarizationsensitive vector vortex coronagraphs, but still face chromatic limitations. New scalar vortex mask designs incorporate radial phase dimples to improve the broadband performance. We present initial manufacturing results of prototype masks of these designs including phase metrology and microscope images, in preparation for broadband chromatic characterization and starlight suppression measurements, to be taken on a high contrast imaging testbed. We also present a preliminary narrowband (2%) dark hole result achieving 1.8 × 10⁻⁸ average contrast from 3.5-10λ₀/D on the High Contrast Spectroscopy Testbed at Caltech. This work aims to advance the technological maturity of scalar vortex coronagraphs as a viable option for consideration for HWO.

Abstract We present X-ray polarimetry observations from the Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE) of three low spectral peak and one intermediate spectral peak blazars, namely 3C 273, 3C 279, 3C 454.3, and S5 0716+714. For none of these objects was IXPE able to detect X-ray polarization at the 3 σ level. However, we placed upper limits on the polarization degree at ∼10%–30%. The undetected polarizations favor models where the X-ray band is dominated by unpolarized photons upscattered by relativistic electrons in the jets of blazars, although hadronic models are not completely eliminated. We discuss the X-ray polarization upper limits in the context of our contemporaneous multiwavelength polarization campaigns.

NASA's future Habitable Worlds Observatory (HWO) will enable the direct detection and characterization of Earth-like planets around Sun-like stars using high-contrast imaging. One of the most promising approaches to achieve this goal is to use a coronagraph. A good candidate for implementation in HWO is the vortex coronagraph, which is featured in both earlier mission concepts HabEx and LUVOIR. However, HWO would benefit from a scalar vortex coronagraph instead of the well-established vector vortex coronagraphs in order to increase throughput and reach its ambitious goal of characterizing Earth-like exoplanets. Metasurfaces present a promising technology for achromatizing scalar vortex coronagraphs, because they allow for more design freedom in a single layer of constant thickness compared to scalar vortex phase masks based on variable thickness of a dielectric substrate. Here, we present our progress in developing metasurface scalar vortex phase masks. We present updated broadband designs of scalar metasurface phase masks of different topographies (vortex and phase knife), and simulate their performance with appropriate simulation tools. We also discuss first manufacturing attempts at such masks, and outline the next steps needed to push their performance towards the levels required for HWO.