光赤天連シンポジウム
2022年7月12-13日

GREX-PLUS:
原始惑星系円盤サイエンス
野村 英子 (国立天文台)

原始惑星系円盤から惑星系へ
Subaru SSP/SEEDS(PI: Tamura, M.)

ALMA LP/DSHARPALMA

NAOJ(Andrews+ 2018)

MMX

原始惑星系円盤
Subaru SSP/SEEDS, NAOJ

NASA/FUSE/Lynette Cook

ALMA LP /MAPS
Oberg+21
ALMA LP /DSHARP
JAXA

Subaru

はやぶさ２

太陽系
NAOJ

Andrews+18
JAXA

系外惑星系
TMT

NAOJ

Ruffio+2021

NASA/Ames/JPL-Caltech

NASA/JPL-Caltech

原始惑星系円盤から惑星系へ
Subaru SSP/SEEDS

ALMA LP/DSHARPALMA

NAOJ

Spitzer, Herschel,(Andrews+ALMA,2018)
JWST, TMT/ELT,…

(PI: Tamura, M.)

原始惑星系円盤からの水輝線
MMX

原始惑星系円盤
Subaru SSP/SEEDS, NAOJ

NAOJ

ALMA LP /DSHARP

GREX-PLUS:
高分散中間赤外線スペース観測により、太陽系
原始惑星系円盤内の水のスノーラインのサーベイを可能にする

NASA/FUSE/Lynette Cook
SubaruALMA LP /MAPS
Oberg+21

JAXA
はやぶさ２

Andrews+18

JAXA

系外惑星系
TMT

Pontoppidan+19, Astro2020
NAOJ

Ruffio+2021

NASA/Ames/JPL-Caltech

NASA/JPL-Caltech

円盤内の水のスノーライン：
岩石惑星とガス惑星形成領域の境界
中心星光度や粘性加熱の進化に応じて位置が移動(e.g., Oka et al. 2012)

水のスノーライン
水蒸気

氷スノーラインは惑星形成時にどのように進化するのか？
水や有機物はどのようにして岩石惑星に運ばれるのか？

円盤内の物質の分布：スノーライン(Qi et al. 2013)

N2H+ガスの分布

ALMA低温度：高～30au

分子は気相COのスノーライン

分子は凍結(固相)スノーライン

N2H+ガスの分布は、一酸化炭素分子のスノーラインをトレースしている(N2H+ガスは、COによって壊される)⇒ 水のスノーラインの観測？ RH2O snowline << RCO snowline

円盤内の物質の分布：スノーライン(Qi et al. 2013)

N2H+ガスの分布

ALMA

低温度：高～30au～1-2au～30au

分子は凍結(固相)COのスノーライン

H2O スノーライン
CO スノーライン

N2H+ガスの分布は、一酸化炭素分子のスノーラインをトレースしている(N2H+ガスは、COによって壊される)⇒ 水のスノーラインの観測？ RH2O snowline << RCO snowline

水のスノーラインの観測法(Notsu+ 2016,2017, Kamp+2021)

円盤のケプラー回転

i: 傾斜角原始惑星系円盤

ケプラー回転円盤のドップラー・シフトの観測により水のスノーラインの位置を測定する
円盤からの赤外線輝線の
速度幅 ~ 30km/s→速度構造の解析にはR~30,000 の波長分解能が必要 →GREX-PLUS 高分散分光

水のスノーラインの観測法(Notsu+ 2016,2017, Kamp+2021)(Pontoppiddan+ 2010)

GREX-PLUS:

ダブルピークを分解可

原始惑星系円盤JWST:輝線が分解可Spitzer: 輝線は分解できず

スノーライン・トレーサーの水輝線
物理構造モデル ＋ 化学反応ネットワーク計算＋ 輝線輻射計算
Eu~1000K

i=30°, d=140pc

Aul ~ 2.9e-3 s-1 nH2O/nH
o-H2O 17.75µm
R<8AU

スノーライン
をトレース!

R>8AU

o-H2O 63.37µm
R>8AU

主に円盤外縁 R<8AUをトレース
Eu~1000K

Aul ~ 1.7 s-1
Herschelで検出

Aul < 10-3s-1 & Eu~103K の水輝線がスノーライン・トレーサーに適している! (Notsu+ 2016,2017)

スノーライン・トレーサーの水輝線
物理構造モデル ＋ 化学反応ネットワーク計算＋ 輝線輻射計算
i=30°, d=140pc

o-H2O 63.37µm

GREX-PLUS 中間赤外線高分散分光器でEu~1000K

スノーライン・トレーサー水輝線@17.75µmを観測
Aul~ 2.9e-3 s-1 nH2O/nH
R>8AU(比較的近傍の大小質量星形成領域でo-H2O 17.75µm
R<8AU
主に円盤外縁様々な年齢の円盤~100天体、~300時間)をトレース→ スノーラインの時間進化を調べる
R>8AU→ 惑星形成、岩石惑星への水の供給
Eu~1000K
スノーライン
Aul ~ 1.7 s-1「地球型惑星形成領域は氷環境になりうるか？」をトレース!

R<8AU

Herschelで検出

Aul < 10-3s-1 & Eu~103K の水輝線がスノーライン・トレーサーに適している! (Notsu+ 2016,2017)

GREX-PLUSで観測される分子輝線
Spitzer/IRS(Pontoppidan+ 2010)

Spitzer/IRSの波長帯の一部をカバー

波長 [µm]

H2O, OH, HCN, CO2, C2H2 など、C/O元素組成比の測定に有用な輝線が多数存在→ GREX-PLUSではその円盤内の半径分布が分かる

スノーラインと惑星大気組成・惑星形成(e.g., Dutrey+ 1997, Markwick+2002, Aikawa+ 2002, Bergin+ 2007)

原始惑星系円盤内の元素組成(炭素・酸素比) 分布と系外惑星大気の組成比との比較により短周期惑星形成過程に制限を与える
Cが豊富な
大気 氷分子の蒸発

氷：Cが豊富
ガス：Oが豊富
岩石惑星

ガス粒子の塵表面への凍結

氷：Oが豊富
ガス：Cが豊富ガス惑星

H O スノーライン

氷惑星

GREX-PLUSで観測される分子輝線(Pontoppidan+ 2010)
Spitzer/IRS

H2O, OH, HCN, CO2, C2H2など、C/O元素組成比の測定に有用な輝線＋ 複雑な有機分子の輝線
ALMA & GREX-PLUSにより円盤全体の元素組成比分布がわかる

5σ, 2 hours
GREX-PLUS

波長 [µm]
円盤高さ/半径Spitzer/IRSの波長帯の一部をカバー

CH3CNの輝線

R~30,000

波長 [µm]
気相中のCH3CN

GREX
-PLUS

円盤半径 (au)

ALMA(Walsh et al. 2014)

Summary

GREX-PLUS 中間赤外線高分散分光モードを用いた
原始惑星系円盤からの水と有機分子輝線の観測- 17.75µm H2O 輝線の解析による
水のスノーラインの位置の同定
R~30,000で同定可能、近傍の大小質量星観測領域で~100天体の観測→水のスノーラインの時間進化→惑星形成過程、岩石惑星への水・有機分子の供給- H2O, OH, CO2, HCN, C2H2等の観測による
原始惑星系円盤中の炭素・酸素比の分布の観測→ 系外惑星の形成過程の議論- 周惑星円盤からの分子輝線の観測→ 惑星大気の化学組成・中心惑星質量へ制限

スノーライン・トレーサー水輝線のFlux distributions of theフラックス予測
Vertical line：
candidate ortho-H O
216lines for a Herbig Ae disk
i=30° d=140pc

5σ, 1hour obs.

(Notsu+ 2016, 2017)

G-REX (R~λ/Δλ~30000)

JWST/MIRI
ALMA: Herbig Ae円盤で(R~3000)
あれば、~10時間積分でSpitzer/IRS(R~600)
検出可G-REX: Herbig Ae円盤であれば、近傍分子雲であR~30000 ~50 本の候補輝線
れば<10分積分で検出可。
Orion分子雲でも~30分積分で可。
T Tauri円盤でも~3.2時間
10-6<Aul[s-1]<10-2,積分で検出可。
700K<Eu[K]<2010
JWSTで候補天体探しALMA

R>100000

λ [µm]

中間赤外線からサブミリ波にかけて~50本の候補輝線