2020年代に向けた系外惑星研究の展望

成田憲保 (国立天文台)

目次• 系外惑星研究の現在のまとめ• 2010年代の展望• 2020年代以降の長期展望系外惑星の探査法• 視線速度法• トランジット法• マイクロレンズ法• 直接撮像法

視線速度法の現在• 可視光で1m/sを切るような精度が達成されつつある• 特に明るいM型星ではスーパーアースの発見数も増加している• ハビタブルゾーン（HZ）にある惑星も発見されつつある

Delfosse+ (2012)
GJ667C c の視線速度

トランジット法の現在

Keplerによりやや遠い（〜100pc以遠）恒星にHZのスーパーアースを含む多数のトランジット惑星の発見

2740 planet candidates (2013/01) -> 3277 candidates (2013/06)

マイクロレンズ法の現在
他の方法とは相補的な領域の（HZを含む）惑星を探査することが可能
現在は地上望遠鏡による観測が中心

Muraki+ 2011

直接撮像法の現在

Kuzuhara et al. (2013)
高コントラスト観測によって遠方巨大惑星の発見が実現

近い将来(〜2020)の展望• ハビタブル惑星が系外惑星研究の全てではないが、大きな流れはハビタブル惑星の発見と性質の解明に向かっている– しかし、詳細な性質（質量、半径、密度、軌道、大気など）を調べるために必要な、太陽系に近いターゲットがまだ未発見– 特に観測のしやすさから、太陽系に近い低温度星のハビタブ
ル惑星の探索が近い将来のトレンド• 惑星の形成・移動（惑星系がどうできるか？）の解明– 低質量惑星の性質、軌道分布決定（次世代トランジット・RV）– 遠方惑星の探索・分布の解明（HiCIAO/GPI/SPHERE/microlens）– 低温度星まわりの惑星分布の解明（HZ惑星探査の副産物？）

太陽系近傍の低温度星の惑星探査
低温度星の特徴• 低温度星ではHZ惑星の公転周期が数日〜数十日• 低温度星は可視ではかなり暗く、近赤外では明るい

世界の天文学者たちのソリューション

• 近赤外の視線速度測定装置（IRD等）によるRVサーベイ• 近赤外の地上トランジットサーベイ（MEarth等）や全天トランジットサーベイ（TESS等）

赤外ドップラーによる惑星探査計画• すばる 8.2m / InfraRed Doppler (IRD)• HET 9.2m / Habitable-Zone Planet Finder (HZPF)• Calar Alto 3.5m / CARMENES (Calar Alto high-Resolution search for M dwarfs with Exoearths with
Near-infrared and optical Échelle Spectrographs)• どれも2014-2015にFLを計画

Subaru’s InfraRed Doppler Instrument (IRD)
Planned Specification
 wavelength：0.97-1.75 μm (Y, J, H bands) spectral resolution:~ 70,000 @ 1480nm（3pixel sampling）

 pixel scale：

0.09 arcsec/pixel

 slit width：0.27 x 3 arcsec

 fibers:

two fibers (star + laser frequency comb)

 dispersive device：

Echelle (high Blaze angle)& VPH-Grating (order sorting) goal radial velocity:

1 m/s @ SNR=200 w/ laser frequency comb

 detector：

Hawaii 4RG (4096x4096)

 cooling:detector 60K
optics 200K w/ Pulse-tube cooler

 Tip-Tilt:

Rlimit=18 & 0.27arcsec slit usable first light:

late 2014 (open later than 2015) IR-Doppler
Spectrograph

TurbulenceStar (sky)CombMulti-mode fiber
Subaru7.8m

Seeing size at
Laser frequency comb
focus : 0.3” FWHM (Calibration light)

Freq.
Freq.

Imagesensor
Grating

Slit width :0.27”

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全天トランジットサーベイ計画：TESS

ケプラーの後継機として2013年4月にNASAに認められた衛星計画
2017年に打ち上げ予定（4人の日本人が公式参加）

TESSで発見が期待される惑星• 太陽系近傍の明るい恒星の惑星 (I等級 4-13 mag, FGKM型)• 検出可能な惑星の周期– １領域の観測は27日程度なので、主に9日以下– 特定の領域(JWST用)では〜60日以下の惑星まで発見可能– 周期が10 (60) 日の惑星はmid (early) M型星のハビタブルゾーン内– 期待されるスーパーアース発見数は500個以上（全恒星型の合計）、そのうちM型星で 5±2 個のハビタブル惑星発見を期待– 多数のone-transit targetの発見• TESSはトランジット発見型のプロジェクト → フォローアップが重要

TESS惑星のフォローアップ• TESSは2020年頃までに多数のトランジット惑星候補を発見– 特に明るいターゲットはTMT以前に惑星の確認が可能• すばる 8.2m (既存)
– IRD(+HDS?): 質量、軌道の決定– FOCAS, MOIRCS: 大気組成の解明• 京都 3.8m (2016〜)– 装置によっては質量、軌道、大気組成• TAO 6.5m (2017〜)– SWIMS: 大気組成

• 南極望遠鏡 2.5m (2020〜)– 3バンド撮像分光装置: 大気組成、one-transit targetの周期決定2010年代の系外惑星関連プロジェクト
13141516171819

IRD
京都TESSTAO

南極

低温度星まわりの低質量惑星(HZ惑星含む)探索と性質の解明• RVサーベイ（IRD等）とトランジットサーベイ（TESS等）が中心に惑星探索• 既存の望遠鏡で発見された惑星の確定、詳細性質（質量、半径、密度、軌道、大気など）の研究2020年代の展望• TMTの1期装置のFLが2022年頃に予定– 1期装置で惑星の大気観測やマイクロレンズのフォローアップが可能• SPICAが2022年頃に打ち上げ予定– MCSなどで惑星大気の観測が可能– SCIなどで遠方惑星の直接撮像＠中間赤外が可能• WFIRSTが2023年頃に打ち上げ予定– マイクロレンズでの他の方法に相補的な惑星探査が可能– コロナグラフによる遠方惑星の直接撮像＠可視が可能• TMTの2期以降の装置は2025年頃から順次搭載予定

TMT/1期装置
MOBIE: 惑星大気

IRIS: マイクロレンズフォローアップ

TMT/2期装置• 可視・近赤外高分散分光器– 近傍〜ケプラー領域までのHZ惑星の質量、軌道の決定– HZトランジット惑星の惑星大気の高分散分光• 高コントラスト装置– 近傍(〜10pc以内)のHZ惑星の直接撮像+低分散分光

今後の系外惑星関連プロジェクトのまとめ
1314151617181920212223242526〜IRD京都TESS
TAO
南極

南極
TMT/1stSPICAWFIRST
TMT/2nd2030年代の予想• 2020年代までは低温度星まわりのHZ惑星が主なターゲット– 「第２の地球」と呼ぶには太陽型星のまわりのちょうど太陽と地球のような関係の惑星でないといけない？

• ケプラーのHZ惑星の質量と軌道の決定はTMTなら可能– ケプラー領域が観測できないE-ELTやGMTにはできないサイエンス• その時代に向けたJTPFの議論は継続する必要があるだろう