平成29年 3月3日
南極30m級テラヘルツ望遠鏡によるサイエンス
極地研(立川市)

南極THz望遠鏡を用いた太陽系惑星観測の可能性

前澤裕之
大阪府立大学大学院理学系研究科

サブミリ波-THz波ヘテロダイン分光は、惑星観測の強力なツール
CO

SO

CS

SO2

CH3CN

NH3
HDO

PS

ClO

HCl

NaCl
HCN0
OCS

KCl

0.5

1.5
1.0
Freq. [THz]

300 K環境での計算

2.0

総じてElが低い時期が多い。
アンテナの性能として5度くらいでも観測できると嬉しい。

Venus

Mars
El

El
15”

50”

視直径

Jupiter

IO

視直径EuropaSaturn

El

視直径

50”

15”
Enceladus

視直径El

SL9のような衝突イベント 外部・内部ソース/爆発反応

Sun
Uranus

Titan

視直径
視直径

視直径

1.5”

ElEl
Neptune

Triton中心星の活動が惑星大気環境に与える影響
1) M-G型星は、初期は活動が活発Flare/CMEが惑星大気環境やhabitabilityに与える影響は？
2) CO2安定問題 COの酸化プロセス
中心星の活動のもと、地球型惑星の中層大気環境がどのように物理的・化学的に確立されてきたのか。
・ 中層大気は対流圏と超高層の大気散逸を繋ぐ重要な領域
・地球は人為活動の影響もあり、素の太陽系気候/宇宙天気の影響把握が難しい⇒金星、火星：固有磁場を持たないCO2大気の惑星
http://phl.upr.edu/library/media

Vazquez et al.

SPART Solar Planetary Atmosphere Research Telescope
・惑星の中層大気は、適度な密度があり、太陽の活動の応答をとらえるのに最適・スペクトルの線幅が細く、気球や航空機等でカバーできない高度。周波数分解能の高い
リモートセンシングが威力を発揮

メンテ期間1234567891011NMAの1台を利活用し、惑星観測専用にシステム改良 (2011年より運用開始)

・口径 : 10m 空間分解能
68秒角@0.1 THz・検出器 : 0.1/0.2 THz 超伝導SISミクサ素子
システム雑音 (150-250 K)・ヘテロダイン分光: デジタルFFT
帯域 1 GHz / 分解能 61 kHz

・Full Remote Operation(大阪府立大の研究室から)

観測対象
・主に金星、火星・暗黒星雲 (強度校正等)

野辺山宇宙電波観測所
Alt. 1350 m
望遠鏡キャビン内の4K GM/JT冷凍機

12

COスペクトル線のRetrieval解析により、CO混合比の高度分布を導出
100 K

Mars
Altitude [km]

Venus

200 K

0.9 MHz

9 MHz

1.9 MHz
3.6 MHzT
Weighting function

Weighting functions in the mesosphere
due to CO J=1-0 absorption and emission

金星におけるのCOの混合比と太陽電波
12

金星 CO(J=1-0)の観測結果より導出した
高度80 kmCO混合比と先行研究のCO混合比の比較
Gurwell et al. 1995Clancy et al. 1989
Clancy et al. 2003
Clancy et al. 2012
Rengel et al. 2008

4 years

11 years cycle

ここ30年は金星のCOは減少傾向にある

金星におけるのCOの混合比
12

金星 CO(J=1-0)の観測結果より導出した
高度80 kmCO混合比と先行研究のCO混合比の比較

4 years

11 years cycle

ここ30年は金星のCOは減少傾向にある

他の低層の分子種との関連性
2008年以降 CO,SO2は伴に低下傾向!?
CO2+H2O+SO2 + hν -> CO + H2SO4
SO2

CO

ESA’s VEXNASA’s Pioneer Venus

SO2
あかつき

VEX
Credits: Data: E. Marcq et al. (Venus Express); L. Esposito et al. (earlier data);
background image: ESA/AOES

大気化学反応ネットワークと輸送メカニズムのリンク
Cl +CO +M -> ClCO + M
ClCO + O2 + M -> ClC(O)O2 + M
ClC(O)O2 +Cl -> CO2 + ClO + Cl
SO2 + hν -> SO + O
SO2 + O + M -> SO3 + M
SO3 + H2O + M -> H2 SO4 + M
ClO +SO -> Cl +SO2-------------------------------------------------CO + SO2 + O2 + H2O+ hν -> CO2 + H2SO4

CO2 + SO2 + H2O + hν -> CO + H2SO4xOCS + hν -> xCO + Sx
CO2 +OCS -> 3CO + SO2HClCOOCS

H2SO4 -> H2O + SO3 (高温環境)
SO3+CO -> SO2 + CO2

Arney et al.
JGR Planets,119, 2014

SO2--------------------------------------CO + H2SO4 -> CO2 + SO2 + H2O

Y.-L. Yung et al.

Credits: Data: E. Marcq et al. (Venus Express); L. Esposito et al. (earlier data); background image: ESA/AOES

金星のSO2の空間分布の時間変化
TEXES/ NASA Infrared Telescope Facility :子午面循環では説明できず
5 and 25 μm infrared imaging spectrometerhigh spatial (about 1.5 arcsec)/ spectral (R = 80 000) resolution

CO2H2OEncrenaz et al. 2012

SO2SO2の変化は、詳細な鉛直分布、鉛直流火山活動、など今後の赤外領域の観測が重要。

微量分子の空間分布・時間変動/大気重力波の 影響評価

AKATSUKI

ALMA

SPART/AKATSUKI/ALMA/名寄光・赤外望遠鏡

SPARTが捉えたCO短期変動の要因を探る。
・定常的な変動（準定常）4日循環・突発的な乱れ（大気重力波）に関わる上下間のダイナミクス/化学的なリンクを捉える試み。

CO2 +BertauxSO2 et+ al.HJGR+ hν -> CO + H2SO42O2016
xOCS + hν -> xCO + Sx
CO2 +OCS -> 3CO + SO2

スーパーローテーション

IR2/Akatsuki

ALMA ToO観測
重力波発生時のCO・SO・SO2・HDO
Band6,7の3次元分布
12m-array (50台)、ACA 7m-array(12台), 12m-TP Array(4台)

発生時期を予想 2016/11/20~12/13

アフロディテ大陸⇒Akatsuki の姿勢を修正/LIR(10μm)カメラで連射を実施
ALMAは半日後のdelayをもって観測を実施(金星が上がってから）

弓状構造を一瞬で通過 (約30分)

近金点
夕方@アフロディーテ大陸で大気重力波発生と予想

THz 30m望遠鏡の場合の解像度サブミリ波の単一鏡でも観測可能。resolve-out/配列・季節/タイミングの運不運に翻弄されない

ビームサイズ [arcsec]

10 m

30 m

Freq. [GHz](1) ALMAのconfigがたまたま合致し、季節的にもギリギリ。ラッキーが重なった。
⇒ configやresolve-outの影響を受けずに、必要なtimmingで観測できる高解像度のサブミリ波望遠鏡の重要性(2) スーパーローテーションは、1日で90度回転してしまう(4時間で15度)。
⇒ マルチビーム/OTFによる短時間の観測(3)ALMAでは周波数、アンテナの観測に時間差
南極THz望遠鏡では300GHz帯のSO2やCO、700GHz帯のHClなどを周波数分離フィルターにより同時観測したい。
(4) ALMAでは、日中の観測は控えめ。
日射の影響や、風、重力変形など・・ (ビーム、pointing 45m鏡の場合はドリフト)(5) Band特性、定在波。 チョッパーにアクリルのモードなど。 On点とSKYの差を軽減。
(6) 12CO, 13COなどを同時にとれるIF帯域。
(7) DSB,SSBいずれでもOKなので、毎回のtuning後のSBRの正確な情報が欲しい。
(10dB以上とかではなく)(8) スーパーローテーション(4日循環)とその発生・停止プロセス、鉛直輸送、高層の輸送(subsolar to antisolar)と大気化学のリンク⇒ 4日間の中間圏の分子の分布の変動を捉える。
白夜での連続観測(夜間の中断がない。他測器との同時観測もしやすい）

ALMAの実施状況同じ日に観測してくれた(大感謝)周波数帯域/分解能2GHz(ALMA etc)あれば充分カバーできる。ただし、分解能も10kHzは欲しい。
obs
Y+D model

Sandor et al. Icarus 2012

Sandor et al. Icarus 2010
モデルと観測の不一致

Sandor et al. Icarus 2015

モデルと観測の不一致

イメージバンドからの漏れ込みをチェック
Signal
𝑻𝒔𝒊𝒈

Image

𝑻𝒂∗
[K]
𝜼𝑴𝑩𝑻𝒂∗[K]
𝜼𝑴𝑩

ヘテロダイン分光法ではImageバンドのスペクトルがSignalバンドに折り重なって観測される

𝑻𝒊𝒎𝒈

周波数[GHz]

周波数[GHz]OTF観測により中心のスペクトルを導出

導出

既知のOri-KLのスペクトルを用いてOrion-KLの 12CO(J=2−1)の観測結果を比較較正

28
2624221917151311

輝度温度[K]SPARTを用いたOrion-KL12CO(J=2−1)の観測結果

SignalImage

イメージバンドからの漏れ込みをチェック
Signal
𝑻𝒔𝒊𝒈

Image

𝑻𝒂∗
[K]
𝜼𝑴𝑩𝑻𝒂∗[K]
𝜼𝑴𝑩

ヘテロダイン分光法ではImageバンドのスペクトルがSignalバンドに折り重なって観測される
𝑻𝒊𝒎𝒈

周波数[GHz]

SignalImage

周波数[GHz]𝐂𝐎(𝑺𝒊𝒈𝒏𝒂𝒍)

𝐂𝐎比較

𝐇𝟐 𝐂𝐎(𝑰𝒎𝒂𝒈𝒆)

Ta*[K]SPARTを用いたOrion-KL
12CO(J=2−1)の観測結果

230.5

𝐇𝟐 𝐂𝐎(÷20)

230.6 218.2
Frequency[GHz]
Sutton et al. (1985)

簡易な手法で観測毎に自動チェックできると安心

218.3

Neptune
上層におけるCOやHCNの起源が不明
・内部からの輸送
・彗星などのimpact
・Tritonからの窒素の流入
・季節変化の可能性⇒単一鏡で監視/ALMAで空間分布

Hesman et al. Icarus 2007

Marten et al. ApJ 1993