北海道大学 理学部 地球科学科 惑星宇宙グループ 高橋康人 系外惑星HD189733bに関する　　赤外観測の進展 北海道大学 理学部 地球科学科 惑星宇宙グループ 　　　　　　　　　　　　　　 高橋康人

卒業研究概要・目的 研究概要： 研究目的： 将来的な目標： 　 Swain et al. 2008、Grillmair et al. 2008、Knutson et al. 2007の論文講読 研究目的： 　　系外惑星研究において先駆的な成果を収めているこれらの論文の講読から、この分野の研究の具体的手法と今日の課題を学ぶ。 将来的な目標： 　　系外惑星の大気放射スペクトルの数値モデルを構築し、大気の成分分析という観点から系外惑星の多様性を探る。

系外惑星 系外惑星とは？ ・太陽系外で、恒星の周りを 公転する天体。 発見された系外惑星の特徴 ・主星に近く大型のものが多い。 　 ・太陽系外で、恒星の周りを 　　公転する天体。 発見された系外惑星の特徴 　 ・主星に近く大型のものが多い。 (ホットジュピター) 発見手法 　 ・トランジット法 　 ・ドップラー法 　 ・その他 候補発見個数 　 ・429 個( 2010/02/01 時点) (発見された系外惑星の質量と個数) 縦軸：発見個数 横軸：木星質量比 IAUの定義は太陽系のみ 褐色矮星(臨界質量以上)　ローグプラネット(主星なし)は惑星に含めない １恒星の周りを回る太陽系の惑星程度～核反応一歩手前の質量を持つ天体 他には直接撮像、公転面のダストなど 　 ・公式な定義はない。 (The Extrasolar Planets Encyclopaedia より)

対象系外惑星 HD189733b 基本データ 2005年10月5日 F.Bouchy らが発見 方角: こぎつね座付近 　　距離: 19.2 pc 　　質量: 木星質量の1.13倍程度 　　軌道長半径： 0.031 AU 発見方法 　　 トランジット法 惑星種類 　　 ホットジュピターのひとつ HD189733　orange dwarf K型　準矮星～赤色矮星　5000Kほど　全体的に太陽より一回り小さい (HubbleSite より) (HD189733bのイメージ図)

Swain et al. 2008 概略 論文詳細 題名：The presence of methane in the atmosphere of an extrasolar planet. 著者：Swain, M. E., Vasisht, G. & Tinetti, G. 掲載紙：Nature 452, 329-331 (2008). 論文要旨 HD189733bの近赤外波長域における大気透過スペクトルから、メタンの吸収特徴を検出。

研究手法 観測 ハッブル宇宙望遠鏡を使用。 軌道5周回の間にHD189733bのトランジットを観測。 大気透過スペクトル 　ハッブル宇宙望遠鏡を使用。 　軌道5周回の間にHD189733bのトランジットを観測。 大気透過スペクトル 　惑星の大気層を通過した主星のフラックスが持つスペクトル。　→　惑星大気の特徴を含む。 抽出方法 トランジット中のスペクトル – トランジット前後のスペクトル

トランジットによる光度変化 第一食は2周回目で起きている。 上図縦軸：光度変化 下図縦軸：残差 横軸：改ユリウス暦（分） 青：H帯(1.6-1.8μm) 赤：K帯(2.0-2.4μm) 系統誤差のみ補正済み 赤はオフセット済み 2007年5月25日観測 赤線のオフセット　意図的 残差　補正誤差 青　H帯(1.6–1.8 mm) 赤　K帯(2.0–2.4 mm) (Swain et al. 2008 より) 第一食は2周回目で起きている。 食に伴う光度減少は明らかだが、加えて食の間にも周縁減光による 光度変化が見られる。

観測結果とモデルの比較 1.5及び1.9μm ･水の特徴 1.7及び2.2μm ･メタンの特徴 さらに少量のアンモニア 水色：水のみの理論モデル 橙色：水＋メタンの理論モデル 黒三角：観測値 (Swain et al. 2008 より) 1.5及び1.9μm 　　　･水の特徴 1.7及び2.2μm 　　　･メタンの特徴 さらに少量のアンモニア 　 あるいは一酸化炭素を加えると、一致が改善 他の組み合わせでは再現できず

Grillmair et al. 2008 概略 論文 論文要旨 題名： Strong water absorption in the dayside emission spectrum of the planet HD189733b. 著者：Grillmair, C. J. et al. 掲載紙：Nature 456, 767-769 (2008). 論文要旨 　HD189733bの中間赤外波長域における日面放射スペクトルから、水の吸収特徴を検出。

研究手法 観測 スピッツァー宇宙望遠鏡を使用。 半年間にわたって、計10回の二次食を観測。 惑星日面放射スペクトル 惑星の日面側から放射されるスペクトル。 大気層による吸収がある波長帯では、強度が減少する。 抽出方法 二次食前後のスペクトル - 二次食の間のスペクトル

観測結果とモデルの比較 10μm以下の波長帯におけるなだらかな傾斜 6.5μm付近における小規模なピーク ↓ いずれも水の特徴 縦軸：主星に対する惑星の 　　　　　　　　　フラックス比 横軸：波長 黒点：今回の観測結果 三色の線：予測モデル値 Pn：熱再分配パラメータ κe：大気上層の不透明度 10μm以下の波長帯におけるなだらかな傾斜 6.5μm付近における小規模なピーク ↓ いずれも水の特徴 (Grillmair et al. 2008より)

Knutson et al. 2007 概略 論文 題名： A map of the day-night contrast of the extrasolar planet HD189733b. 著者： Knutson, H. et al. 掲載紙：Nature 447, 183-186 (2007). 論文要旨 　HD189733bの日面放射スペクトルにおける波長8μmの赤外線の強度変化から、惑星表層の温度分布マップを推定。

研究手法 観測 スピッツァー宇宙望遠鏡を使用。 8μmの赤外線を観測。 トランジット開始直前から二次食終了直後までのほぼ公転半周の期間。 高い時間分解能 0.4秒毎に撮像。・・・細かい時間変化をとらえる 　　　　　　　　　　　　　　　→軌道位置とデータの対応

軌道半周期にわたる光度変化 最初の減衰がトランジット、二回目の減衰が二次食。 トランジット後から二次食直前にかけて、光度が増加。 　　 →惑星の日面が視界に入ってきたため。 最大光度・最小光度が各食中心とずれている。 縦軸：二次食中心を1とした相対光度 横軸：トランジットの中心を原点とする公転周期 点：観測値(500点毎に集約) (Knutson et al. 2007より)

惑星表層の温度分布の推定 ある時点での軌道位置と光度から、惑星の経度方向とそれに対応する光度を決定。 最大光度・最小光度の点が恒星直下点・恒星対蹠点からそれぞれずれて、いずれも東半球に存在している。 実際にこのような温度分布であるとすれば、複雑な大気循環が存在する可能性を示唆。 下図縦軸：主星に対する相対光度 下図横軸：惑星の経度 上図：下図を基に全球の温度分布を 　　　　　モルワイデ図法で表したもの (Knutson et al. 2007より)

今後の課題 観測対象の拡大 観測条件の整った惑星系の発見、および観測機器の改良。 分析手法の確立 　観測条件の整った惑星系の発見、および観測機器の改良。 分析手法の確立 　遠方にあり、なおかつ恒星よりもサイズの小さい惑星の情報をいかにして得るか。 理論モデルの改良 　いずれの論文においても、結果解釈に理論モデルの存在が不可欠。 　　　　　　　　　　　→より再現性の高いモデルの必要性

参考文献 Swain, M. R., Vasisht, G. & Tinetti, G. The presence of methane in the atmosphere of an extrasolar planet. Nature 452, 329-331 (2008) Grillmair, C. J., et al. Strong water absorption in the dayside emission spectrum of the planet HD189733b. Nature 456, 767-769 (2008) Knutson, H. A. et al. A map of the day–night contrast of the extrasolar planet HD189733b. Nature 447, 183–186 (2007). The Extrasolar Planets Encyclopaedia http://exoplanet.eu/ HubbleSite http://hubblesite.org/ European Space Agency http://www.esa.int/