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系外惑星大気の研究最前線 最新の研究会より

系外惑星大気の研究最前線 最新の研究会より. 国立天文台　光赤外研究部 太陽系外惑星探査プロジェクト室 成田憲保. 報告内容. 研究会の概要など 発表された内容 レビュー講演 / これまでの研究 新発見 / 最新の研究 将来計画 / これからの研究 今後の研究会情報. 参加者層. 参加者：約１１０名 約６０名がフランス 約２０名がアメリカ 約１０名がイギリス、 その他ヨーロッパが約１５名 日本からは３名（＋２名）が参加 講演数：口頭 ５６ ＋ ポスター 約２０ 研究分野： 系外惑星、太陽系惑星の理論・観測研究者

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系外惑星大気の研究最前線 最新の研究会より

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Presentation Transcript

  1. 系外惑星大気の研究最前線最新の研究会より 国立天文台　光赤外研究部 太陽系外惑星探査プロジェクト室 成田憲保

  2. 報告内容 • 研究会の概要など • 発表された内容 • レビュー講演 / これまでの研究 • 新発見 / 最新の研究 • 将来計画 / これからの研究 • 今後の研究会情報

  3. 参加者層 • 参加者：約１１０名 • 約６０名がフランス • 約２０名がアメリカ • 約１０名がイギリス、 その他ヨーロッパが約１５名 • 日本からは３名（＋２名）が参加 • 講演数：口頭 ５６ ＋ ポスター 約２０ • 研究分野： • 系外惑星、太陽系惑星の理論・観測研究者 • 装置開発者や吸収線リストの作成者など

  4. 主なセッションテーマ • トランジット惑星に対する分光･測光観測 • 木星型系外惑星の大気循環モデル • 太陽系惑星の背景的レビュー • 分子線リストの理論と実験 • 褐色矮星の大気 • 地球型系外惑星の様々なモデル • 将来計画 • 特別セッション (系外惑星の直接撮像)

  5. 発表された内容１ • レビュー講演 / これまでの研究 • HST & Spitzer 等によるこれまでの観測結果 • Charbonneau, Harrington, Swain, Knutson … • 大気循環モデルによる観測事実の説明と予言 • Showman, Cho, Aylward, Iro, Lewis … • 太陽系惑星の研究から系外惑星への示唆 • Lellouch, Yung, Chassefiere, Maillard, Miller …

  6. どんな方法で？ 分光 測光 偏光 何を見る？ transmission spectroscopy (TS) reflected light secondary eclipse (SE) phase/time variation reflected light phase/time variation どうやって系外惑星の大気を調べるか

  7. 何を観測するか SE 惑星が主星の裏側に隠れる位相を観測する phase/time variation 位相や時間と共に変動する成分を観測する TS トランジット中の惑星大気を透かして観測する

  8. 何がわかるか • トランジット測光観測 • 惑星の大きさ、質量、密度 • TS • 惑星大気成分による吸収 • 吸収の大きさから雲や霞などの存在を示唆 • SE • 昼側の有効温度と反射能 (albedo)の手がかり • thermal inversionの有無で惑星の分類 • 軌道離心率の制限

  9. 何がわかるか • time/phase variation • (トランジットしていなくてもOK) • 昼側と夜側の温度差 • 惑星の大気循環モデルへの示唆 • より高次の効果 • rings, moons などの存在 • 惑星の形状、天気、自転などの影響

  10. 主星 惑星および 外層大気 主星の光 主星元素の 吸収線 惑星由来の 追加吸収 Transmission Spectroscopy

  11. これまでに報告された大気成分 • ナトリウム • HD209458b: Charbonneau et al. (2002) Snellen et al. (2008) • HD189733b: Redfield et al. (2008) Redfield et al. (2008)

  12. これまでに報告された大気成分 • 水蒸気 • HD209458b: Barman (2007) • HD189733b: Tinetti et al. (2007) • メタン • HD189733b: Swain et al. (2008) ▲：観測点 赤：メタン＋水蒸気 青：水蒸気のみ 理論モデル by Tinetti Swain et al. (2008)

  13. これまでに報告された大気構造 実線：理論モデルとbinningした点 ■：観測点 • cloud • HD209458, HD189733 • ナトリウムの吸収量が雲がない理論モデルに比べて約1桁小さい • haze • HD189733 • HSTの観測で 500-1000nm にのっぺりした吸収→大気上層にsubmicronの粒子？ Pont et al. (2008) 理論モデル by Tinetti

  14. 惑星の昼側のthermal emissionを測定できる 惑星の温度の手がかり thermal inversionの発見 惑星が裏側に来る時刻から軌道離心率を制限できる 離心率の最も強い制限 場合によってはトランジットしない系もありうる Secondary Eclipseの観測

  15. thermal inversion in HD209458b 3.6, 8.0, 24 μm の観測点から予想される温度の理論モデルより 4.5, 5.8 μm の観測点のフラックスが有意に大きい ■：理論モデルをbinningした点 ●：観測点 Knutson et al. (2008) (理論モデル by Burrows) HD209458bはhot stratosphereを持つ？

  16. inversionがある HD209458b TrES-2b TrES-4b inversionがない HD189733b XO-1b thermal inversionの有無 inversionがあるホットジュピターとないホットジュピターが発見されている Fortney et al. (2008)で統一モデルの提案 pM class (TiO/VOがガス状態) と pL class (TiO/VOが凝集状態) このモデルを検証するためにSpitzerがフル稼働していた (WASP-1,2,3,8,12, HAT-1,2,7, GJ436, CoRoT-2が解析中)

  17. phase variationの観測例 HD189733bのトランジット前からSE後までを連続測光観測した結果 IRAC 8μm Knutson et al. (2007)

  18. 大気循環モデルの検証 • 惑星ごとにいろんな大気の特性があるはず • SEなどの観測結果を説明できることが大きな目標 (thermal inversionはまだ完全に説明できていない) • 現在のシミュレーションは近似的にしか解けていない (例えばgravity waveなどの効果は考慮されていない)

  19. 大気循環モデルの予言 • 逆に大気循環モデルが予言すること • 大気の状態は惑星の公転、自転などで時間変化する • TSやSEの深さは大小の差はあれ、時間変動するはず (時間を置いたmulti-bandのデータは使えない？) • 離心率を持つ惑星などでは変動が大きいはず

  20. 太陽系の惑星から系外惑星への示唆 • 太陽系の惑星で発見されていて、系外惑星でまだ発見されていない重要な分子 → • の役割 → 大気のheatingとcooling • 惑星の極地方にできる • 太陽風と大気の相互作用 • 木星などのオーロラ中にある • TSで検出できないか？ • 吸収は赤外領域 (IRCSとか?)

  21. 発表された内容２ • 新発見 / 最新の研究 • Secondary Eclipse Depthの変動を検出 • 地上望遠鏡によるSecondary Eclipseの検出 • (too) inflated planet WASP-17b の発見 • 月食を用いた地球のTransmission Spectroscopy

  22. SE depthの変動の検出 Swain et al. • HD189733b (公転周期2.2日) • 4日離れた2回のSEをSpitzerで観測 • それぞれのSEの深さ • 0.00447 ± 0.00011 • 0.00497 ± 0.00013 • 惑星大気の変動性の検出？ • 大気循環モデルの予言とも一致する • 他の惑星でも起こっているか？

  23. 地上からのSEの検出 • 今回の研究会で2つのチームが地上検出を報告 • Sing & Lopez-Morales • OGLE-TR-56, K-band • 8.2m VLT & 6.5m Magellan • SysRem を用いてred noiseを低減 • VLT: 0.037 ± 0.016 %, Magellan: 0.031 ± 0.011 % • 合わせて 0.0363 ± 0.091 % (~4σ detection) • de Mooij & Snellen • TrES-3, K-band • 3.6m ESO New Technology Telescope (NTT) / SOFI • red noise は考慮せず ~8σ detection

  24. 地上検出の意味 • 観測技術と解析技術の向上 • Spitzerの結果の独立な追試が可能に • 離心率の制限や変動性の探索など研究の幅が広がる

  25. inflated planet WASP-17bの発見 Anderson et al. • inflated planetとは？ • 現在の理論で説明できないほどふくらんだ惑星 • ~1.2 Rjupくらいが熱源なしで大きくなる限界 • しかし10個近く発見されてきている • 今回の発見 • WASPによるトランジットサーベイ • 約4%の大きな減光率、R ~ 2.0 RJup • 精度が低いもののケプラー運動が受かっている

  26. 現在のところ最大級の大きさ しかし同様の大きさで報告されたXO-3の大きさは後に訂正された → 高精度な追試が必要

  27. 月食を用いた地球のTS Palle et al.

  28. 月食中の月に映るもの この赤い光は何か？ (2000年7月 ぐんま天文台)

  29. 赤い光 ＝ 地球の透過光 地球大気を透過してきた光が月に映ることで赤く見える 太陽 月 地球 月食中の赤い光を分光することで地球の模擬TSが可能！

  30. cf. 地球照 (Earthshine) 地球に反射した光が新月に映った光 太陽 月 地球 地球照を分光することで地球の反射光の観測が可能

  31. 光・赤外同時分光観測 • 2008年8月16日 部分月食 • カナリア諸島 La Palma Observatory • 2.5m Nordic Optical Telescope (optical) • 4.2m William Herschel Telescope (IR/ZJ,HK band) • 合わせて0.3 – 2.5μm • 同じセットアップで地球照をreferenceとして観測 • HITRAN などのline-listで分子線の同定

  32. 検出された分子 • Vis: • Ca II, O3, O2, H2O, O4, + NO2(未同定) • Ca II は電離圏のイオン? • IR: • O2, H2O, CO2, O2 -O2, O2 -N2, (ZJ band) • H2O, CO2, CH4 (HK band) • 地球照との比較 • 地球照でも同じ分子を検出できた • Ca II, O2 -O2, O2 -N2などは月食でのみ顕著な吸収 • どのくらいの高度の吸収を見ているのかによる • 雲の有無でこれらの吸収量は変動するはず

  33. 発表された内容３ • 将来計画 / これからの研究 • MEarth • JWST • SPICA • See-COAST • New World Observer

  34. MEarth Charbonneau et al. • M型星の(HZにある)トランジット惑星探索 • 恒星のスペクトル型を絞った地上サーベイ • 特にSuper Earthsをターゲットにしている • 8台 × 40cm の経度方向に分布した望遠鏡群 • 25’ x 25’ FoV, 2k x 2k CCD • NIR (i + z band) • I ~ 10 の M型星に対して、現在0.6% の測光精度 • M型星＋参照星をモニタリング

  35. サーベイの特徴 • トランジットアラートによる即時追観測 • リアルタイム解析(マイクロレンズと同様のシステム) • 精度は1桁敏感 • フォローアップ • Keck, HARPS-NEF などでの視線速度観測

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