IRSF/SIRIUS によるスーパーアース GJ1214b の大気観測

IRSF/SIRIUSによるスーパーアースGJ1214bの大気観測IRSF/SIRIUSによるスーパーアースGJ1214bの大気観測成田憲保（国立天文台）永山貴宏(名大)、末永拓也(総研大)、福井暁彦(岡山観測所)、生駒大洋(東大)、中島康、西山正吾、田村元秀(国立天文台)

目次 • 背景 • 近赤外高精度測光の方法 • GJ1214について • 観測結果とモデルの比較

トランジット惑星の大気観測 • 系外惑星のトランジットの深さは惑星大気の組成に依存する • 特に近赤外では分子大気組成に依存 • 多波長トランジット観測によって惑星大気の組成を推定できる • サイズの小さい低温度星のまわりに地球サイズの数倍程度の惑星(スーパーアース)がトランジットで発見されてきている • スーパーアースの大気組成の観測はようやく可能になった新しいサイエンス(これまではホットジュピターのみ) • これらの研究を行うにはmmagレベルの高精度測光が必要 • しかし現実には近赤外の高精度測光は難しかった

なぜ近赤外高精度測光は難しいか？ 赤外検出器は感度むらが大きい上に、フラット光源がそれほど一様でない

フラットの不完全性 大局的(~1000pixel)には1%弱、局所的(~10pixel)でも0.1%程度 (岡山ISLEでの試験観測より)

バッドピクセル 赤外検出器はバッドピクセルが多い（図はIRSFのバッドピクセルマップ）

近赤外高精度測光の方法 • フラットが完全でないなら、ターゲットを検出器上で動かさないようにすればよい • バッドピクセルが多くてもそこにターゲットを乗せなければよい • さらにフォトンをたくさん稼ぐため、また線形性の良いカウントで観測するために、ターゲットをデフォーカスすればよい

ターゲットを検出器上で固定するには • オートガイダーがあれば一番楽 • もしオートガイダーがない場合は、星像が動いた時に望遠鏡にフィードバックをかければよい • 重心位置が数ピクセル以上移動したらフィードバックをかける • トラッキング精度が悪いとフィードバックの回数が増えて時間のロスが増えるが、フラットの不完全性のノイズをひろってしまうよりはよい

岡山ISLEでの試行錯誤（2009～） 先ほどの方法を踏まえてオートガイダーで観測

岡山/ISLEのJバンド測光観測 J<10の天体で~0.1%の測光精度を安定的に達成

IRSFの場合 • オートガイダーがないため、位置固定ソフトが2011年に導入された • これによって初めて高精度測光観測が可能に • 多波長トランジット観測による惑星大気の観測 • トランジットの深さは特に近赤外では分子大気組成に依存 • 多波長の近赤外トランジット観測によって、惑星大気の組成を推定できる　->IRSFの3色同時の機能は非常に魅力的

最初のターゲット：GJ1214b • 初めて発見された低温度星(M4.5V)まわりをトランジットするスーパーアース(Charbonneau et al. 2009) • 惑星半径：~2.7REarth, 惑星質量：~6,55MEarth • 主星が~0.2RSun程度と小さいため、スーパーアースでも1%以上の減光を起こす • 大気組成を調べることができる初めてのスーパーアース • 太陽系近傍の13pcの距離にあり、V=14.67, J=9.75, H=9.09, Ks=8.78と近赤外で明るい

先行研究 de Mooij et al. (2012) これまでの観測から、ほぼ水蒸気の大気(青線)か、金属量が低くメタンが欠乏した水素大気(赤線)かにモデルが絞られた

IRSF/SIRIUSのJHKs同時測光観測 永山さんによるほぼリアルタイム解析の結果上：参照星とターゲットの等級、下：相対等級

トランジット外の補正 • 生のライトカーブは主星・参照星の変光やエアマスの影響などで若干時間変化している • 星の位置の変動が小さければ線形でもよく補正できる • 右はJバンドのライトカーブ • k0+ kt*t + kz*z + kx*dx + ky*dy

補正後のライトカーブ GJ1214bのJHKsバンドで0.124,0.125,0.155%の測光精度を達成

他の観測結果との比較 JHは他の観測とよく一致し、KsはCrollらの主張より浅くBeanらと一致

IRSFの観測でわかったこと • JHKsでほぼフラットな透過光スペクトルを確認 • Croll et al. (2011)が主張したKsバンドでの深いトランジットは見られなかった • 現在のエラーの範囲では水蒸気大気のモデルと、厚い雲がある水素大気のモデルと合い、雲がない水素大気のモデルとは合わない • 繰り返しの観測で制限を強めるor 青い領域を観測することでさらに大気モデルの判別が可能になる • NN et al., to be submitted this week

今後の課題 • GJ1214のような面白い惑星系を自分たちの手で発見して、惑星大気の観測まで行いたい • 特に、太陽系に近い惑星系でのトランジットを起こすスーパーアースを探したい

岡山観測所ISLEでの新しいトランジット惑星の探索岡山観測所ISLEでの新しいトランジット惑星の探索成田憲保（国立天文台）福井暁彦（岡山観測所）、平野照幸（東大）、末永拓也（総研大）、高橋安大（東大）、大貫裕史（東工大）、 Eric Gaidos, Emily Chang（ハワイ大）

低温度星まわりのトランジット惑星 太陽系近傍(J<10)でこれまでに発見されたのは • GJ436：視線速度で発見後にトランジットを発見 • GJ1214：サーベイグループMEarthによる発見の2つのみ • 1つの新たな惑星発見にも大きな意味がある • 目標：J<10のmiddle K-M型星でスーパーアース発見 • すばるIRDの目標はJ<10で1m/sの精度 -> RV追観測が可能

トランジット惑星探しの方法 • 定期的な星の減光現象を発見する • 惑星以外の偽検出を取り除く • 惑星の半径、質量、軌道を決定する

トランジット惑星と偽検出(cf. 天文月報) grazing eclipsing binary トランジット惑星二重星の一方にトランジット惑星二重星の一方が食連星

本トランジット惑星探しの全体の流れ • SuperWASPアーカイブから選定したトランジット惑星候補に対して、岡山のISLEを用いて高精度測光観測を行い、その減光形状から惑星以外の現象を排除する • 1をパスした候補について、すばる望遠鏡のHiCIAOやIRCSを用いて高空間分解能な撮像観測を行い、背景星の混入がないかどうかを調べる • 1をパスした候補について、すばる望遠鏡のHDSやIRDを用いて視線速度測定を行い、減光周期に同期した視線速度変動を調べる

研究準備状況：ターゲットの選定 地上可視トランジットサーベイSuperWASPのアーカイブデータを利用周期解析により折りたたんだ光度曲線トランジット期間内のデータ点数 Ntr 周期的減光の検出レベル測光精度σ 減光率δ 減光率と主星・惑星半径の関係日本で観測可能な S/N>6 or Δχ2>50 の低温度星を50個程度選定今後これらの減光現象を高精度測光で確認し、惑星か食連星かを判別したい

11B-12Aの観測結果 • 25夜の割当のうち、8夜の晴天夜 • 岡山の統計的な晴天夜の割合と同程度 • 6つのターゲットを観測 • 12Bのターゲットとは重複しない • 何度か観測したターゲットがあるため8つではない • 5つはSuperWASPデータの偽検出と判別

惑星の可能性を排除できなかった候補 1つの候補で惑星と矛盾しない0.17%の減光を検出ただし、2度目の高精度測光観測ができていない (4-6月が観測時期！)

研究準備状況：直接撮像観測 先ほどの候補に対しては５月にすばるで直接撮像観測を行い、減光を起こしうる背景星の混入はないことを確認した

研究準備状況：HDSでの視線速度測定 6月30日から7月2日にHDSでの視線速度観測を実施 ~2m/sほどの精度を達成し、食連星ではないことを確認

我々の今後の研究計画 • 2014年頃のIRD稼働前→新しいトランジット惑星の探索 • 地上や宇宙トランジットサーベイのアーカイブをもとに候補を選定し、高精度測光観測・直接撮像観測・視線速度測定によって本物の低温度星まわりのトランジット惑星を発見する • IRD稼働後→トランジット惑星の特徴づけ • 事前に発見した惑星候補の質量と軌道を決定 • 新しいトランジット惑星の詳細な観測を世界に先駆けて行う

まとめ • 日本で初めての低温度星まわりのトランジット惑星探し • もし本物のトランジット惑星があった場合に、実際に発見できるだけの十分な準備を行っている

多色近赤外広視野カメラへの期待 • 地上からの高精度近赤外測光観測はつい最近可能となった新しい観測技術で、世界でもまだそれほど普及していない • 高精度測光観測では参照星の存在が重要->広視野が重要 • 赤外検出器も大型化が進んできた • 特に1-4mの中口径望遠鏡で広視野の近赤外カメラは世界にほとんど存在しておらず、今後早く作ったところがさまざまな研究を独占できる状況 • 日本の中口径望遠鏡にIRSF/SIRIUS-likeなカメラを期待

低温度星のトランジットサーベイ他グループとの比較低温度星のトランジットサーベイ他グループとの比較

見込まれる成果 • 出版可能論文数 • 発見惑星数 x (3〜4本)：惑星発見、高精度パラメータの決定、多波長観測による惑星大気組成、TTV • 偽検出の統計：2本 • ユニークな偽検出： • 既知の低温度星まわりのトランジット惑星の追観測：最低3本(GJ1214, KOI-254, KOI-961) ≧発見惑星数 x 4 + ユニークな偽検出数 + 5

期待するトランジット惑星発見数 • これまでのSuperWASPの観測によると • 太陽型星では食連星の混入割合は～9割、惑星が～1割 • 食連星の伴星のほとんどは低温度星 • SuperWASPは太陽型星に～70個の木星型惑星を発見しており、太陽型星に対する統計的な混入確率はある程度信頼できる • 低温度星に対する混入確率の研究はこれまで行われていないため、統計的な値は不明(この統計自身も論文化可能) • 低温度星同士の連星の場合、低温度星はサイズが小さいため、同じ距離にある連星が食連星になる確率は太陽型星より低い • 我々が期待する惑星発見数は5個前後 • cf. 1個の惑星発見で年平均3本程度の論文出版数見込み

IRSF/SIRIUS によるスーパーアース GJ1214b の大気観測