GREX-PLUS：
系外惑星のサイエンス

川島 由依（理化学研究所）

藤井 友香（国立天文台）、松尾 太郎（名古屋大学）、大野 和正（UCSC）

2022.7.12-13 光赤天連シンポジウム

2000

100

1500

海王星

101

地球0.1

水星
0.01

0.010.1

1exoplanets.org | 2/6/2022
10

Semi-Major
Axis [AstronomicalUnits (AU)]
軌道長半径
[AU]

100

平衡温度 [K]

発見された惑星の大気の特性を明らかにすることは、その惑星の起源や進化を理解する第一歩

木星

1000

このうち数十〜50個程度の惑星に対して、大気の観測が行われている

直接撮像

3105001995年の初発見以降、5,000個以上の系外惑星が発見されている

現在の大気観測の主なターゲット
惑星質量
Planet Mass[地球質量][Earth Mass]

太陽系外惑星系外惑星専有

惑星の検出

大気の観測
1.95-7.8 μmR ~ 30-200
2029年

汎用

GREX-PLUSのような中間赤外での高分散はユニーク

Copyright: ESA

中間赤外線域には、NH3やHCN、C2H2、CO2などの吸収線が豊富に存在
NH3は低温大気で窒素を含む主な分子種
また、大気の混合度合いに敏感
HCN、C2H2、CO2の有無は大気のC/O比や中心星からの紫外線照射の強度に敏感

トランジットの減光率 [%]中間赤外のメリット①

黒色：全ての化学種の吸収を考慮したスペクトル

ミニ海王星惑星GJ 1214bのモデルスペクトル

波長 [μm]

SPICAサイエンス検討会最終報告書より

GREX-PLUSでの検出可能性

トランジット継続時間は0.9時間

S/N

14.6 pcにあるM4.5型星周りのミニ海王星惑星GJ 1214bをGREX-PLUSで20回観測した場合のシミュレーション結果

4.7σ

NH3や光化学的に生成されたC2H2やHCNを検出可能

S/N

黄道光ノイズも考慮

2.3σ

速度 [km/s]

3.4σ1.7σ

速度 [km/s]

3.3σ
速度 [km/s]

Seager & Deming (2010)

中間赤外のメリット②

太陽と木星の場合、1 μmでの観測と比べて~15 μmでは2桁程度小さいコントラストにフラックス [μJy]

可視・近赤外域での観測と比べて、主星と惑星のフラックスのコントラストが低減

太陽型星
5,750 K

10 pcから観測した場合の太陽系惑星の黒体放射フラックス

GREX-PLUSの観測波長
ホット・ジュピター
1,600 K

放射光反射光
金星

木星

火星

地球

波長 [μm]GREX-PLUSでの放射光スペクトルの観測可能性
51441231028σ

161604-2~500 K

18時間

Temperate (300K) Jupiter
Exposure time: 18 hrs

σσ20

100-1000 -750 -500 -250 0 250 500 750 1000
Velocity (km/s)

90時間

180時間

速度 [km/s]

14H2O + NH312H2ONH3Temperate (300K) Jupiter
Exposure time: 180 hrs
H2O + NH3H2ONH3108644200-3-1000 -750 -500 -250 0 250 500 750 1000
Velocity (km/s)

速度 [km/s]

Temperate (300K) Jupiter
Exposure time: 90 hrs

2~300 K

15562H2ONH3108

3H2O + NH3-2-1000 -750 -500 -250 0 250 500 750 1000
Velocity (km/s)

1049時間Warm (500K) Jupiter
Exposure time: 9 hrs

25

速度 [km/s]

5-2H2ONH30

速度 [km/s]-130

2-3-1000 -750 -500 -250 0 250 500 750 1000
Velocity (km/s)

61.8時間Warm (500K) Jupiter
Exposure time: 1.8 hrs
H2O + NH3

σ186-1H2OやNH3の検出が可能
GREX-PLUSで必要な観測時間は~1.3倍程度多くなると予想される

0.36時間Warm (500K) Jupiter
Exposure time: 0.36 hrs

σ7σ

SPICAのようなミッションにより、太陽型星周りの木星サイズの惑星＠10 pcを観測することを想定したシミュレー
ション結果

模擬観測データと理論モデルの相互相関-2-2-1000 -750 -500 -250 0 250 500 750 1000
Velocity (km/s)

速度 [km/s]-4-1000 -750 -500 -250 0 250 500 750 1000
Velocity (km/s)

速度 [km/s]

SPICAサイエンス検討会最終報告書より

惑星の視線速度の観測
放射光スペクトルの高分散観測により、惑星自身の視線速度の測定も可能

ヒストグラム10 pcにある太陽型星回りの木星サイズの惑星（公転速度50 km/s）を2つの公転フェーズでそれぞれ6時間観測 by GREX-PLUSした場合の視線速度の推定推定された視線速度のヒストグラム
惑星の視線速度から、軌道傾斜角の不定性を含まない、惑星の真の質量の推定が可能に（e.g., Fujii & Matsuo 2021）
また、連惑星や衛星の検出も期待される木星の周りのイオの軌道に海王星が公転している場合：~ 900 m/s
木星の周りのイオの軌道に地球が公転している場合：~ 50 m/s
惑星の視線速度 [km/s]※非トランジット惑星にも適用が可能

惑星の視線速度の観測
放射光スペクトルの高分散観測により、惑星自身の視線速度の測定も可能
10 pcにある太陽型星回りの木星サイズの惑星（公転速度50 km/s）を2つの公転フェーズでそれぞれ6時間観測 by GREX-PLUSした場合の視線速度の推定
惑星の視線速度から、軌道傾斜角の不定性を含まない、惑星の真の質量の推定が可能に（e.g., Fujii & Matsuo 2021）
また、連惑星や衛星の検出も期待される木星の周りのイオの軌道に海王星が公転している場合：~ 900 m/s
木星の周りのイオの軌道に地球が公転している場合：~ 50 m/s

GREX-PLUSで可能な系外惑星サイエンス
中間赤外のメリット
低温（ 500 K）の惑星に感度（放射光、惑星視線速度）
C/O比や大気の混合度合い、紫外線環境に感度のある
C2H2やHCN、NH3などの吸収線が豊富に存在

ドップラーシフトを利用した放射光と惑星の視線速度の観測※非トランジット惑星にも適用可

惑星の視線速度の検出による物理的特性の調査- 真の惑星質量- 軌道傾斜角- 衛星・連惑星の検出

惑星

主星

放射光・透過光の観測による大気特性の調査- 化学種の検出- 検出された化学種の存在量制約- 大気の元素存在度比（C/O比など）- 温度構造- 大気の混合度合い- 紫外線環境

二次食前後の差分による放射光の観測

トランジット中の主星の惑星大気透過光の観測