太陽系外惑星探査プロジェクト室小谷隆行

 IRD(Infrared Doppler)のHeritageを生かした3.8m望遠鏡用・高精度視線速度測定用高分散分光器の提案◦ 赤外線ドップラーサーベイによる惑星探査◦ 装置提案◦ 3.8m望遠鏡でのサーベイプラン

赤外ドップラー装置による地球型惑星探査
M型星のハビタブルゾーンにある1地球質量の惑星の検出を狙う
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M型星まわりの惑星探査の利点◦ 太陽型恒星(F,G,K)の地球型惑星探査は今より10倍高精度が必要◦ M型星は質量が軽く、低質量惑星による視線速度変動が検出しやすい◦ ハビタブルゾーンにある1地球質量の惑星検出が可能！

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中心星が赤外線で明るく、可視で暗い◦ 可視RVでは0.3Msunが限界◦ 赤外RVが効率的

将来の直接撮像につながる（SEIT, Second Earth Imagerfor TMT)晩期M型星なら、ハビタブルゾーンにある1地球質量の検出が可能



晩期M型矮星周りの惑星探索の目標

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IRD(Infrared Doppler)/すばる望遠鏡での視線速度サーベイ◦ ハビタブルゾーンにある地球質量惑星の検出◦ 太陽近傍（15~20pc以内）の星のサーベイ◦ 一通りの惑星系-伴星系の統一的理解◦ 赤外トランジットの観測との連携で惑星の特徴付け◦ 2014年ファーストライト予定◦ 0.97~1.75μmの波長域と光周波数コムを使って、~1m/s の精度を達成◦ 開発の現状

 装置の基本仕様の決定
 クリティカルコンポーネント開発を推進中
 検出器、光学設計、Grating、周波数コム、ファイバー Conceptual Design Reviewを開催(2012/09)

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3.8m望遠鏡用赤外線ドップラーによるサーベイ◦ IRDのHeritageを生かして、安く早く装置を開発◦ サーベイのやり方によっては、地球型惑星の検出も可能

IRDのスペックまとめ
 波長域：
0.97-1.75 μm
短波長側(0.97-1.1μm)も重要 (based on simulations using model M star spectra)
 波長分解能:~ 70,000 @ 1480nm（3pixel sampling）
 ピクセルスケール：
0.09 arcsec/pixel スリット：
0.27 x 3 arcsec
 ファイバー:star + comb
 分散素子：Echelle (high Blaze angle)& VPH-Grating (order sorting) 視線速度測定精度: 1 m/s w/ laser frequency comb
 検出器：
Hawaii 4RG 4096x4096
 冷却:
検出器温度 60K
光学系温度 80K ~ 200K
低振動機械式冷凍機 (Pulse-tube cooler) Tip-Tilt:
Rlimit=18 & 0.27arcsec slit usable

IRDのHeritageを生かして、高精度な分光器を安く早く作る

IRDのHeritageを生かして、高精度な分光器を安く早く作る◦ CCDで運用できるY-band(0.97-1.1um)、Ybandだけでもかなりの精度が出る◦ 近赤外(0.97-1.75um,大フォーマット赤外検出器があるなら）J-bandY-band

波長範囲H-bandグレーティング◦ IRD用試作グレーティング(本番用の1/4サイズ、波長分解能は最大約200000)

波長校正◦ ファブリペローフィルター＋ハロゲンランプ◦ ガスセル (Tr-Ar, Ur-Neなど）◦ Laser Frequency Comb◦ シングルモードファイバー（モーダルノイズなし、ただし良いAOが必要）

IRDで達成できる視線速度精度（各オーダー毎にプロット）、10^4 photon/pixelの場合

3.8m望遠鏡で達成できる視線速度精度
Y,J,Hをフルに使う場合
H =8 magの場合 10min積分で1m/s
Y-bandのみの場合
H= 8 magの場合30min積分で1m/s

ファイバー入射◦ マルチモードファイバー（モーダルノイズあり、入射が容易）

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波長分解能
◦ シングルモードファイバーなら容易に10^5が可能

 近赤外線ドップラー観測の測定精度の限界◦ 装置の熱安定性、波長校正、光子ノイズ、etc…
◦ ファイバーのモーダルノイズ
 マルチモードファイバーを伝搬する電場のモードが変化することで、偽の視線速度変動が発生
 モードスクランブラー（ファイバーを揺らすなど）を使うことで低減できるが、完全にはなくならない 可視だとモードの数が多いのでスクランブルされやすい

スクランブルマルチモードファイバーからシングルモードファイバーへ マルチモードファイバー◦ コア直径が50-100um◦ 波長に比べてコア直径が大きいので、内部を伝搬するモードが多数◦ コア径が大きいため、高波長分解能のためには大面積のグレーティングが必要、光学系が巨大に◦ 伝搬途中でのロスが無視できない（~80-90%/100m)
シングルモードファイバー◦ コア直径 5-10um◦ 内部を伝搬するモードは一つだけ（＞カットオフ波長）、モーダルノイズフリー◦ 非常に高い伝搬効率（>99%/km)◦ コア径が小さいため、小さなグレーティングで高波長分解能達成が可能、光学系が極めてシンプル・コンパクトに

シングルモードファイバーは、「空間フィルター」

乱れた波面を入れても、完全にフラットな波面が出てくる◦ 乱れた波面成分は伝搬できずに失われる

現世代のAOを使って入射させても、入射効率は10%以下



高い入射効率のためには、極限補償光学が必要

CFHT/AOでのシングルファイバー入射テスト

 表面活動度が低い近傍の星：200~500個◦ An All-sky catalog of Bright M Dwarfs(Lepine+2011）◦ A Spectroscopic Catalog of the Brightest (J<9) M
Dwarfs in the Northern Sky (Lepine+2012)

0.1

0.2
大宮さんの資料より

1.

M<0.2Msun&J<9の星(25星)は毎日観測

1. ハビタブル地球型惑星の調査
2.

サンプルセレクション
1. 活動性が低く連星系ではない星を見つける

3.

メインサーベイ1. 変動が小さい天体と惑星候補を中心に
2. 雪線付近の惑星に感度を持った均一な観測4.

候補天体のフォローアップ
1. RV/transit候補天体の軌道決定

 0.2AUの巨大惑星： 30~40回◦ P=50~100日, Mp=100 Mearth 雪線のスーパーアース：約80~100回◦ P=14~80日, Mp=5Me
 ハビタブルゾーンの地球質量惑星：約600回◦ P=5日, Mp=1Me 高頻度観測ができることが最大の利点
 IRD候補天体のフォローアップ◦ サンプル：数十?個（J<10)◦ 精度5m/s以下が必要◦ IRDで視線速度変動が検出されたら、3.8m望遠鏡で詳
しく探査◦ 視線速度変動が恒星の活動由来なのか確認 もっとドラスティックに「超高頻度観測」を行い、明るい星のまわりのハビタブル惑星検出を率先して狙う
 大量の観測時間を使い、低質量星の惑星系の統計理解を目指す 岡山3.8m望遠鏡＋赤外線ドップラーによるサイエンス◦ IRDで検出された視線速度変動のフォローアップ観測◦ M型星まわりの地球型惑星の検出◦ M型星まわりの惑星形成理論の検証
 IRDのHeritageを生かして、極限補償光学＋シングルモードファイバー入射型の分光器にすれば、高精度な赤外線ドップラー装置を「安く早く」実現できる