京大岡山3.8m望遠鏡における	  太陽系外惑星探査	
松尾太郎（京都大学）、	  京大岡山3.8m望遠鏡グループ、	  SEITグループ	  ••
•1995年の太陽系外惑星の発見以来、ドップラー法などの間接法により700以上の系外惑星が検出。	  
Kepler望遠鏡の食を利用した観測による100を超える地球型惑星候補の検出。	  
2008年に巨大ガス惑星候補の直接観測に成功。	  

惑星直径（地球直径）	

系外惑星研究の現状	
木星	
海王星	
地球	
軌道長半径	

現状から言える事:	  Kepler望遠鏡により発見された惑星の	  1	  .	  宇宙において「地球型」惑星は普遍的な存在。	  
半径と周期	
 次の最大のマイルストーンは、「地球型」惑星の直接検出とその特徴づけ（大気組成、表層環境の調2.8”	1.6”	査）。	  
2.	  	  地球型惑星の観測成果は全て欧米によるもの。
（Kepler望遠鏡は1996年に計画）	   将来日本が地球型惑星の直接観測で世界と勝負1”	するには、この10年の取り組みが重要。	  
HR8799の周りで直接撮像された	  巨大ガス惑星（Marois	  et	  al.	  Science	  2008）	  2	

• 「惑星からの光子」を直接検出	   「間接法」で得られない、惑星の大気組成、表層環境の情報を得ることができる。	  
• 地球は可視で反射光により、赤外で熱放射により輝く	  • 太陽-­‐地球のコントラスト	  :	  1010	  	  ＠可視光	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  107	  	  	   ＠中間赤外線	  • 惑星光は主星のハローに埋もれるので、主星のハローだけを低減する特殊な装置が必要	  	  100	
10-­‐2	

太陽	

1010	

10-­‐4	107	

10-­‐6	地球	

10-­‐8	10-­‐10	0.1	

1.0	10.0	

100	

波長（µm）	

10pcから見た太陽と地球のスペクトル	

相対強度	

直接観測	

フラックス密度（Jy）	

102	

主星の回折	
ハロー	

10-­‐2	10-­‐6	 コロナグラフ	  木星型惑星	
地球型	  惑星	低減	  10-­‐10	低減後	  0.0	

0.04	

0.08	

角距離（秒角）	

3	

TMTで地球型惑星を狙えるか?	

主星-惑星コントラスト	

10 -7	

MKGF!

10 -8	

10 -9	

10 -10	

10 -11	

1時間の検出限界	

1.27um	  酸素吸収線検出S/N	  ○	  	  	  2021年にすばる望遠鏡に続く次世代の大型望遠鏡TMTはファーストライトを迎える。地球型惑星探査ができる最初の機会である。	  
○ TMTに理想的な高コントラスト装置を搭載すれば、K、M型星の周りの100の地球サイズの惑星を直接観測し、大気分光から酸素の吸収線を検出できる。	

距離	  [pc]	  0.1	
0.01	
1.0	
5時間積分での1.27um酸素吸収線検出のS/N	  4	主星からの離角 [秒角]	
Kawahara,	  Matsuo,	  Takami,	  Fujii	  et	  al.	  ApJ,	  2012	  	TMTで地球型惑星を狙えるか?	
TMTやE-­‐ELTに理想的な高コントラスト装置を搭載すれば、K、M型星の周りの100の地球サイズの惑星を直接観測し、大気分光から酸素の吸収線を検出できる。	

10 -8	

MTMTの第2期装置を目指して	  K
日本独自の観測装置	  1.27um	  酸素吸収線検出S/N	  主星-惑星コントラスト	

10 -7	

G
Second-­‐Earth	  IF!mager	  for	  TMT	  (SEIT)	  を提案！	  

10 -9	

10 -10	

検出限界	

10 -11	

0.1	
0.01	
角距離 [秒角]	
1時間積分での惑星検出感度	  距離	  [pc]	  1.0	
5時間積分での1.27um酸素吸収線検出のS/N	   5	Kawahara,	  Matsuo,	  Takami,	  Fujii	  et	  al.	  2012	  (Arxiv:1206.0558)	

実現までのシナリオ	
2012-­‐2014	

2015-­‐2018	

2017-­‐	実験室  京大3.8m望遠鏡	   	  TMT	  	目標：2020年代初頭のファーストライトを目指す	

なぜ京大3.8m望遠鏡か？	  
1. TMTと同じ分割式望遠鏡；	  	  	  	  	  	  	  分割式望遠鏡での世界初の高コントラスト実験の実証を目指す。	  
2.	  	  	  望遠鏡時間；	  	  Subaru/HiCIAOの観測経験から時間をかけた探査が必要である。	  
6	

頻度	

岡山のサイトは惑星探査に適しているか？	

すばる望遠鏡と同じ性能の補償光学装置を載せれば、同程度の結像性能が得られる。	  

FWHM	  (秒角)	
風速	  at	  500	  hPa（m/s）	

• 岡山のseeingは最頻値1.1秒。	  
 すばる望遠鏡と京大岡山3.8m望遠鏡のD/r0は同程度。	  
• 対流圏（上空数km）の風速は上限40m/s。	  
 （極限）補償光学の補正フレームレートは1kHzで充分。	  

FWHM	  (秒角)	
岩田生（2005年光天連シンポ）	

観測装置構成	
惑星を直接検出するための「高コントラスト装置」は	  1.	  補償光学、2.	  コロナグラフ、3.	  波面測定の3つから構成。	  
補償光学:	  主星の回折光の成分を増加させる。	  
コロナグラフ：主星の回折光の成分を取り除く。	  
波面測定：回折光以外のスペックルノイズ起因の波面を測定し、 フラットな波面を再生。

高コントラスト観測で鍵になるのが、「補償光学技術」と「精密波面測定技術」。	  
補償光学	

コロナグラフ	

波面測定・補償	

望遠鏡からの光	

シーイング	
リミット

AO補正後星の光を取り除く

スペックルノイズ	を取り除く

補償光学系	
• 仕様	  -­‐ 観測波長：Y,	  J,	  H	  -­‐ 空間分解能：	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  66mas@J	  band	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  86mas@H	  band	  	  	  -­‐-­‐•-­‐•-­‐

限界等級:	  10等	  @I	  band	  視野10秒角	  目標	  シュトレール比:	  0.9	  方式	  2段の可変形鏡(Woofer-­‐Tweeter)	  -­‐ Pyramid	  波面センサー	  -­‐ 補正レート:	  1kHz	  補償光学系の設計図	

3次元波面測定装置	
松尾＆村上 準備中	Three	  =	  Spafal	  +	  Spectral	

「検出」と「特徴づけ（分光）」ができる新しい高コントラスト技術	

特徴：	  • 検出面で主星の光で干渉縞を作り、波長方向に分解された波面の乱れ（振幅・位相）を測定。	  
• 光学系がシンプル：分光モードでは、グリズムを挿入するだけ。「検出モード」と同じ性能（コントラスト）を維持できる。	  
• スペースのon-­‐axis望遠鏡にも発展	  波長	

像面での波面の振幅・位相情報	

シミュレーション	＋	
大気の位相マップ	  	  (r0=10cm)	

鏡の支持構造による変形	  （シミュレーション）	  H	  band	  (1.50-­‐1.80um)	

望遠鏡の構造関数	1秒間の積分で0.2秒角にある	  10-­‐4	  	  のコントラストの惑星を検出	

3次元波面測定	
観測像（惑星検出モード）	

	  1時間の観測で3x10-­‐6	
最終像	

3次元波面測定	
観測像（惑星分光モード）	

鏡の形状誤差	  （2011年12月に製作	  された内周鏡）	  最終像	コロナグラフの室内実験	

Murakami	  et	  al.	  SPIE	  (2012)	

@像面	  白色光源	  Bright	  	  	  	  Null	  	  	  	  0.01	  	  	  X-­‐shear	  	  	  	  Y-­‐shear	  	  	  	  Savart	  plates	  	  10-­‐8	  	  Peak	  null	  ~10-­‐6	  	  (Bandwidth>30%	  @λ0=600nm)	  	  To	  CCD	  camera	  	  Polarizers	  	  	  ○広帯域（バンド幅30%）でコントラスト10の-­‐6乗を達成。	  
○5時間にわたりコントラストを維持（長期安定性を確認）。	  
○今後、3次元波面測定装置をインプリメントする予定。	  期待される成果	  1	「検出」から「特徴づけ」を一通り行なう	• サイエンスケース 「検出」	  	  	  	  	  -­‐主星近傍（数AU）にある、若い(<1Gyr)木星型惑星の直接検出	  	  	  	  	  -­‐	  ターゲット数：~500	  特徴： 	  ○	  Subaru/SEEDSは10AU以遠の惑星探査がメインなのに対してより内側を探査できる。	  	  	  	  ○	  視線速度法で観測できない若い（<1Gyr）惑星の探査を通して木星型惑星の形成過程に観測的示唆を与える。	  

京大3.8m/惑星カメラとSubaru/HiCIAOの	  検出限界の比較	anced flux
define theK, and M)
nce the dis-

期待される成果	  2	Fig. 7.—Same as Fig. 6, but for an age of 5 Gyr. The positions of the Z,J, H, K, and M photometric bands are indicated in the top panel.

• サイエンスケース「特徴づけ」	  covery of Gliese 229B (Oppenheimer et al. 1995; Marleyet al. 1996). For the more massive models, the near-IR fluxes-­‐ 「検出」された惑星に対して、大気分光を通して	  are significantly above blackbody values. At Teff ! 800 K,
the 25 MJ/1 Gyr model shown in Figure 6 could represent	  HバンドにあるCH4,	  NH3の吸収線の検出を目指す。	  
-­‐ ターゲット数:	  ~	  200	  H	  band	 R=50での3時間の積分時間	

近赤外線での木星型惑星のスペクトル （Burrows	  et	  al.	  2003）	

スケジュール	
緑：現在の獲得予算で実行できるもの	  赤：これから申請予定の予算を獲得できれば実行できるもの	• 2012年度	  -­‐ 補償光学系（AO97	  +	  Pyramid波面センサ）を構築	  (@京大)	  -­‐ 3次元波面測定装置の光学系の構築	  (@北大)	  • 2013-­‐2014年度	  -­‐ 補償光学系のリアルタイム補償	  -­‐	  	  	  	  補償光学系のアップグレード：多素子（1000素子）DMのインプリメント	  -­‐ 3次元波面測定装置の高コントラスト化	  • 2015年度	  -­‐ 補償光学系と高コントラスト光学系の結合	  (@京大)	  • 2016年度	  -­‐	  	  	  	  	  ファーストライト