第12回 光赤外線天文学大学間連携ワークショップ

月食・月面地球照の偏光観測

高橋 隼（兵庫県立大学）

目次
1. 月食の偏光観測• 地球大気の透過光• OISTERキャンペーン観測による成果

2. 月面地球照の偏光観測

月反射

地球• 地球の反射光• OISTER機関間の共同研究

太陽位相角 α反射

3. 今後の展開と新装置開発• OISTERでの新装置活用の可能性
2

月食の偏光観測
Takahashi+, 2017, AJ
Takahashi+, 2019, PASJ

背景と目的• 忘れられた謎: 月食の偏光• Coyne & Pellicori (1970) は、月食中の月が2.4%偏光していたと報告。
• 偏光の原因は解明されていないが、かれらの報告以降、研究された形跡なし。

• 「月食の偏光」に再注目する理由• 物理的な興味- 太陽-地球-月が一直線に並ぶ位置関係で偏光が生じるのは不思議。
• 新しい研究手法への期待- もし惑星大気を透過する際に偏光が生じるのであれば、惑星大気の新しい研究手法に応用できるかもしれない。

• 研究目標• 月食の偏光を確認し、偏光の原因を解明する。
4観測• 2014年10月8日 皆既月食
• OISTER 偏光撮像キャンペーン
• 北海道大: ピリカ望遠鏡 + MSI• 兵庫県立大: 60cm望遠鏡 + POL• 広島大: かなた望遠鏡 + HOWPol•（バックアップ撮像観測: 東京大木曽観測所、埼玉大学）• 2015年4月4日 皆既月食
•すばる望遠鏡 + FOCAS での偏光分光観測2014年 観測結果
3

V, MSI
V, HOWPol
R, MSI
R, HOWPol

Totality

1.5

Egress2Ingress

偏光度(%) P (%)
Deg.
of polarization,

2.5

10.5
09.5

1010.51111.5
UT (h)

1212.513• MSIとHOWPolはほぼ一致するが、 一部で0.5%程度の食い違い。
• 有意な偏光度の検出は主張できない。
• 2014年10月の月食中の偏光度は、1%未満であった。

2015年 観測結果
O2•O2?

本影外 (入る直前)
本影内（食の最大の頃）
Coyne+ (1970)

偏光度 (%)O2O2O2波長 (nm)•対象領域が本影に入る前は、全波長域にわたってほぼ無偏光。
•本影に入って以降、食が深くなるにつれ、波長600nm以下での偏光度が上昇した。最大で2-3%程度。Coyne & Pellicori (1970)の報告とよく一致する。

•760nm O Aバンド等、偏光度の強いフィーチャも見られる。
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偏光の原因非等方的な2回散乱 + 非一様な雲分布が偏光の原因であると考えることで、2015年に観測された、偏光度の波長依存性と時間変化2014年の非検出説明できる。

••zFinHorizontal scattering A

FH(zo)

zo DBCy

Vertical scattering

OFV(zo)x

水平 FH > 垂直 FV

月の地平線
Ground

月食中に月から見た地球 (Kaguya)と予想される偏光方位8

月面地球照の偏光観測
Takahashi, J.1, Itoh, Y.1, Matsuo, T.2, Oasa, Y.3,Bach, Y. P.4, Ishiguro M.4, 2021, A&A
1 University of Hyogo, 2 Nagoya University,
3 Saitama University, 4 Seoul National University背景・目的・観測• 海 (大量の液体) を持つ惑星の発見は、生命探査において非常に重要。

• 系外惑星の海を検出する手法がいくつか提案されている。
(a) 測光観測 (Cowan+ 2009)(b) 分光観測 (Robinson+ 2014)▲ 地球の海による鏡面反射(c) ESA/NASA(c) 偏光観測• 滑らかな液面による鏡面反射は強く偏光することを利用した手法。
• 海を持つ惑星の偏光度を理論計算した例はある (e.g., Williams & Gaidos
2008)。

• しかし、地球の「海の偏光」まだ観測的に確認されていない。
月面地球照を観測し、「地球の海による偏光」の初検出を目指す• 観測: なゆた望遠鏡 + 近赤外3色カメラNICで合計 32夜のデータを取得。

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偏光度Pの時間変化▼ 月から見た地球 (Earthand Moon Viewerで合成)■ J ● H ▲ Ks

▲ 地球照偏光度の時間変化

UT 14h

雲被覆率 (%)

偏光度 P (%)

UT 10h海陸▲ 地球表面種別の時間変化

偏光度の時間変化が、海被覆率の時間変化と同期している(複数夜で確認)「地球の海による偏光」を検出した
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今後の展開と新装置開発

地球照観測の今後と新装置開発• 地球照観測の今後: 「ホモキラリティに起因する円偏光」の検出• ホモキラリティ: 鏡像異性体のうちの片方しか存在しない状態。
• 生体分子（アミノ酸、糖）はホモキラリティを持つ。
• ホモキラリティは生物と非生物を区別する特徴。有力な生命兆候。
• ホモキラリティを持つ物質の反射光は円偏光する。
• 植物は1‒0.1%の円偏光度 (e.g., Wolstencroft+, 2004)• 植生に起因する地球円偏光度の実測成功例はない (Sterzik+ 2009)。

地球照観測により、ホモキラリティ円偏光を検出したい• 月面地球照で期待されるホモキラリティ円偏光は0.01-0.001% (10-4 から10-5)と非常に小さく、現在主流のタイプの偏光装置では検出不可。

高速位相変調型の高精度偏光観測装置を開発する

高速位相変調型の先行装置• HIPPI (Bailey+ 2015)
液晶位相変調器 (LCM)
数100Hz以上の速度で、偏光方位を切替

about the optical a
Rotating this syst
effect of reversingand provides a ‘accuracy by elimi1981). A similar s
All the optics ar
350–700 nm.
The instrument
square aluminium
ets to a mountingof the structural csures have been
instrument is ther

2.2 Ferro-electr

Two different FLC※2光線に分離していis an LV1300-AR
るが、測定は光路ごとsigned for the 400
in a 25 mm diameに独立。

光電子増倍菅 (PMT)※ CCDは不適

Figure 1. Schematic diagram of HIPPI optical system (not to scale).

10-6et台の偏光度検出精度を達成
Evansal. (2013) that indicate the presence of strong Rayleighrotator from Bou
wavelength range
15 mm useful aperetarders at a wav
away from this w
The two modu
vide good polariz
However, we havelevels of instrume
preferred option.

開発

瞳系
TPMズ
ン
レ2a3ズ
ン
レ

イトを達成。現在、性能評価中。

S• 2021年9月にエンジニアリングファーストラ

O

追加することを検討中 (CMOSは未入手)

M• 基本的には先行装置を踏襲。
• 改良点: CMOSカメラを導入し、撮像機能を

2b90 cm

ズ
ン
レ

P

W

1ズ
ンーレタル
ィ
フり

絞野M

視LC

30 cm

C

撮像系

次期OISTERでの活用?
• 将来的には、OISTERにも新装置を供用したい。
• 新装置の特徴• 高速位相変調 → 高い検出精度• CMOS導入 → 撮像機能
• PMT または CMOSによる光検出 → 高い時間分解能• パルサーや高密度連星系、恒星食で速い偏光度変動?
• OISTERにユニークな機能を加える可能性。
• サイエンスの提案を歓迎します。

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偏光度 (%)• 特に「高い時間分解能」の偏光観測は、未開拓の分野

0かにパルサー(周期 0.033 秒)の偏光度周期変動(紫点) (Shearer &Connor, 2018)