系外惑星大気の研究最前線 最新の研究会より

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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 今後の研究会情報 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 講演数：口頭 ５６ ＋ ポスター 約２０ 研究分野： 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 どうやって系外惑星の大気を調べるか 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

7 トランジット中の惑星大気を透かして観測する
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 TS SE 惑星の大きさ、質量、密度 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
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 Transmission Spectroscopy
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

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 メタン 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 cloud haze HD209458, HD189733 HD189733
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 nm 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 Secondary Eclipseの観測 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

15 thermal inversion in HD209458b
■：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 thermal inversionの有無 inversionがある inversionがない HD209458b TrES-2b
XO-1b 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 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
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
(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 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
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 ± ± 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: ± %, Magellan: ± % 合わせて ± % (~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 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
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 月食中の赤い光を分光することで地球の模擬TSが可能！ 太陽 月

30 地球照を分光することで地球の反射光の観測が可能
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: IR: 地球照との比較 Ca II, O3, O2, H2O, O4, + NO2(未同定)
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 M型星の(HZにある)トランジット惑星探索 8台 × 40cm の経度方向に分布した望遠鏡群 M型星＋参照星をモニタリング
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 フォローアップ 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
Keck, HARPS-NEF などでの視線速度観測