すばるFMOSでの系外惑星大気観測 成田 憲保

目次 系外惑星大気の観測方法 最近の観測例 すばるFMOSでの観測計画 将来の目標

惑星が前とうしろを通過している時のスペクトルを調べる トランジット惑星で大気を観測する 惑星が前とうしろを通過している時のスペクトルを調べる transit secondary eclipse secondary eclipse transit IRAC 8μm Spitzer IRAC 8μm Knutson et al. (2007)

惑星の昼と夜の境目の部分を透過した光を分光し トランジット惑星の大気吸収探索 主星 惑星および 外層大気 主星元素の 吸収線 主星の光 惑星由来の 追加吸収 惑星の昼と夜の境目の部分を透過した光を分光し 惑星大気による吸収を調べることができる

追加吸収の強さ 惑星による吸収が起こるのは惑星の外層大気のopacityが小さい円環部分 好ましいターゲット 追加吸収量はおおざっぱに ～2πRpH / πRs2 ∝ Tp / μ ρp Rs2 H : 大気のスケールハイト、 Tp : 惑星の温度 μ : 大気の分子量、 ρp : 惑星の密度、 Rs : 主星の半径 好ましいターゲット 温度が高く、密度が低い惑星 主星は小さい方が有利（特にM型星） 惑星の温度 大気の分子量・惑星の密度・主星の半径２

理論的予言 雲がないホットジュピターに対する透過光モデル 特に可視領域のナトリウム線や赤外の分子吸収バンドで 強い追加吸収が予想されていた -1.47% (base) -1.53% (base) -1.71% (peak) -1.70% (peak) Seager & Sasselov (2000) Brown (2001) 特に可視領域のナトリウム線や赤外の分子吸収バンドで 強い追加吸収が予想されていた 2009/7/28

実際にホットジュピターでは大気が検出されてきている 観測による検出例 実際にホットジュピターでは大気が検出されてきている

欧米の系外惑星大気観測計画 GTC10m望遠鏡では2010年から200hrの大規模観測 (PI. Sing) GTC/OSIRISによる広視野ナローバンドフィルター観測 ナトリウムとカリウムがターゲット VLT8m望遠鏡では2010年から200hrの大規模観測(PI. Snellen) VLT/CRIRESによる近赤外高分散分光観測 COなどの分子がターゲット 複数のアメリカグループ PI. Knutson, Desert, Beanなど、特にsecondary eclipse狙い SpitzerによるGJ1214bの20日間連続観測(PI. Deming) 日本はまだ目立った成果をあげられていない

Subaru/FMOS FMOS = 近赤外広視野多天体分光器 FoV = 30’ diameter circular (大型望遠鏡で最大の視野) ファイバー200本の分光器が2台 マルチスリット分光よりフォトンロスが少ない 特に読み出し時間の短いIRS2が有用 JHバンドの同時観測が可能 Spitzerがカバーしていない波長領域 潜在的にJHバンドで世界最高精度が出せる観測装置

ターゲット選定方法 同時に多数の参照星を観測できる惑星系を選ぶ 必要なSNR(の10倍)が達成できる系を選ぶ 同等かそれ以上の明るさの参照星を数十個同時に撮る 参照星には高速自転星(地球大気吸収スペクトル)を含む 各星のまわりでスカイも撮る 必要なSNR(の10倍)が達成できる系を選ぶ FMOS Spectrum Simulator で露光時間などを決める トランジットの長さとファイバー配置時間などを考慮 系統誤差もあると思われるので、必要なSNRの10倍が達成できるターゲットを選ぶ

想定している解析方法 ダーク、フラット、線形性補正、スカイなどを処理 Simultaneous reference spectro-photometry 同じ方法でGJ1214bというM型星まわりの地球型惑星を観測した例が12月2日にNatureに掲載されたのでそれで説明 VLT/FORS2 (Subaru/Focusと似た装置) Telluric-corrected transmission spectroscopy 高速自転星による地球大気補正 参照星によるフラックス補正 トランジット中/トランジット外のスペクトルを作る

1次元スペクトルを抽出する 酸素A線 水 青：参照星　赤：GJ1214

適当なバンドでスペクトルを積分する

相対測光ライトカーブを作る

ライトカーブをきれいにする ライトカーブから観測パラメータとの相関を取り除く 例えば：エアマス、時間、検出器のピクセル位置など （高精度トランジット測光観測では基本的な解析方法）

いろんなバンドで同じことをする

Solar compositionでないことは言えそうだが モデルと比較する Solar compositionでないことは言えそうだが 分子の混合比はまだわからない (以上 Bean et al. 2010, Nature)

GJ1214bの大気モデル FORS2よりFMOSの方が分子混合比に関する情報が多い 赤：太陽系組成 x1 緑：太陽系組成 x30 群青：100% H2O 濃緑：50% CO2, 50% H2O 黄色：100% CO2 FORS2 band Miller-Ricci & Fortney (2010) FORS2よりFMOSの方が分子混合比に関する情報が多い

S11A-012: Transmission Spectroscopy of Super-Earths and Hot-Jupiters with FMOS GJ1214を含む、地球型惑星2つ、ホットジュピター3つをターゲットとして選択 2晩が最低希望夜数だったが、1晩だけ採択 減らした理由は初めての試みだから SSから明るすぎるターゲットはゴーストなどが出てよくないとコメント すぐにTAC委員長にGJ1214が第一希望であると伝える GJ1214は明るさも控えめで、何より地球型惑星で初めて観測 TACから一番明るい木星型惑星の系を観測するのがベストという返事があり、スケジュールが確定・・・

将来の目標 S11Aの1晩でFMOSを用いた方法論を確立する その後何としてもGJ1214bの大気分子を検出する FMOSでホットジュピターのsecondary eclipseを検出する 他の大型望遠鏡では10例以上検出例があるが、日本人はまだ誰も検出していない TMT/MOBIEなどでM型星まわりの地球型惑星を狙う SNRを予想したところ、M型～ぎりぎりK型晩期まわりの酸素が豊富な地球型惑星なら酸素A線を狙える TMTの時代こそ日本が最初の観測を！

今年のその他の仕事まとめ ロシター効果で軌道が傾いた惑星系を複数発見 SEEDSで軌道が傾いた惑星の外側の伴星探し 明日プレスリリースされます SEEDSで軌道が傾いた惑星の外側の伴星探し TMTとSPICAのサイエンスを検討 来年は貯まっている研究結果をもう少し発表したい

Secondary eclipseについて 世界の大型望遠鏡の多くで観測・検出されている 昨年すばるMOIRCSに提案したものの、(海外では検出例があるのに)本当にできるかわからないというTACコメントで不採択 Bean氏がすばるMOIRCSに提案したらS11A期に採択されている TACからは明確な理由の説明はない