京大岡山3.8m望遠鏡における木星型系外惑星の直接撮像	
国立天文台 太陽系外惑星探査室
松尾太郎	

1	

要旨	
• 次世代大型望遠鏡（TMT）における世界初の地球型系外惑星の直接観測を行う装置（SEIT）を提案している。	  
• TMTと同じ分割式の京都3.8m望遠鏡でSEIT試作機の性能実証を行い、木星型系外惑星の直接観測を通して惑星進化の解明を目指す。	  

2	

系外惑星研究の現状	
1995年に初めて惑星が発見以来、ドップラー法などの間接法により500以上の系外惑星が検出。	  
• 2008年に巨大ガス惑星候補の直接観測に成功。	  
• Kepler望遠鏡の食を利用した観測による100を超える地球型惑星の間接的検出。	  
「惑星系の起源を理解するうえで非常に重要」	  HR8799の周りで直接撮像された	  巨大ガス惑星（Marois	  et	  al.	  Science	  2008）	  現状から言える事:	  1	  .	  宇宙において「地球型」惑星は普遍的な存在。	  
 次の最大のマイルストーンは、「地球型」惑星の直接検出とそこに存在するかもしれない「生命現象」の確認。	  
2.	  	  地球型惑星の観測成果は全て欧米によるもの。
（Kepler望遠鏡は1996年に計画）	   将来日本が地球型惑星の直接観測で世界と勝負するには、この10年の取り組みが重要。	  
Kepler望遠鏡により発見された惑星の	  3	半径と周期	•直接観測	

フラックス密度（Jy）	

102	
100	
10-­‐2	10-­‐4	1010	

太陽	
107	

相対強度	

• 地球は可視光・近赤外線では反射10-­‐6	光で、中間赤外線では自身の熱放地球	
10-­‐8	射で輝く。	  
10-­‐10	
• 可視光では10の10乗、赤外線では0.1	
1.0	
10.0	
100	
波長（µm）	
10の7乗の強度比（コントラスト）	  10pcから観測した太陽と地球のスペクトル	• 惑星光は主星のハローに埋もれて主星の回折像	いる。	  
主星のハロー	-­‐2	
主星のハローだけを選択的に低減10する、特殊な装置「コロナグラフ」が木星型惑星	ハロー低減	  -­‐6	必要。	  
10地球型惑星	（コロナグラフ）	  • 惑星の大気組成や表層の環境をハロー	  10-­‐10	
検証。	  
低減後	
0.0	

0.04	

0.08	

主星からの離角（秒角）	

4	

系外惑星研究の展望、特に直接撮像	
• 宇宙	

2018-­‐19	現在	

2018	

1.	

2025~	
3.	

HST	JWST	  SPICA	  

年老いた冷たい惑星の撮像・分光	

• 地上	
現在	

2018	

TPF	  
生命痕跡の探査	2.	
+	  極限補償光学	
(近い将来)	
8m級望遠鏡	  (Subaru/HiCIAO,	  Gemini/GPI	  etc)	  若く温かい惑星の撮像・分光	  TMT	  E-­‐ELT	  5	次世代大型望遠鏡	
世界初の地球型惑星の直接撮像	

次世代望遠鏡	Thirty	  Meter	  Telescope	  (TMT)	
場所	

マウナケア山頂	

参加国	

アメリカ、カナダ、日本、中国、インド（日本は1/4パートナー）	

ファーストライト	  2018年	

観測装置	

ファーストライト装置は3つで決定済み。	  
第2期装置は完全な白紙。	
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30m分割式（1枚は六角形、対角距離で1.44m）	  492枚	

主鏡	30m	

TMT想像図	

TMT主鏡	!"#$%&'()*'+,+'"-.$/'.$."0'12%'342/'52%2-6#%6.7'8"9$06/"2-8:'

TMTの点源回折像	
$6	

次世代望遠鏡における従来の提案	
• 系外惑星の直接観測のために2つの装置が提案されている。	  
8m級望遠鏡の高コントラスト装置を次世代の望遠鏡にそのまま応用。	  
	  木星型系外惑星の反射光検出に留まる。	  

コントラスト	•	  方法	  PFIとEPICSの性能は同程度	-­‐	  	  大気擾乱により乱れた波面を補償光学で整えて	   1E-­‐7	EPICS	
コロナグラフで主星の光を選択的に低減。	
木星型惑星	PFIのブロック図 （PFI	  Feasibility	  reportより）	

1E-­‐8	

地球型惑星	

1E-­‐9	1E-­‐10	0.01	0.10	
主星からの離角(秒角)	
Kasper	  et	  al.	  (2010)	
7	

Second-­‐Earth	  Imager	  for	  TMT	  (SEIT)	
松尾太郎、田村元秀、成田憲保（国立天文台）、小谷隆行（宇宙科学研究所）、	  村上尚史、馬場直志（北大）、滝澤謙二、皆川純（生物基礎研究所）、生駒大洋（東工大）	  SEITで地球型惑星が検出できる領域	
1.E-­‐06	  ○ 地球型惑星は主星からの反射光により輝くので、主星に近づくほど明るくなる。	  
	  内側の惑星ほど、感度とコントラストの面で検出が有利（緑の点線）	  SEITの考え方：	  ○	  	  より主星に近い惑星を観測	  
高いコントラストは不要。	  

TMTの大口径を最大限に活かした主星超近傍の惑星探査。	  

コントラスト	

従来の考え方：	  ○ より高いコントラストで惑星を観測	   太陽型星周りでの惑星探査	  1.E-­‐07	  1.E-­‐08	  1.E-­‐09	  1.E-­‐10	  SEIT	PFI,	  EPICS	
地球型惑星	0.01	  0.1	  1	  (0.1AU)	
(1.0AU)	
(10AU)	
主星からの離角（秒角）	 8	ハビタブルな惑星の観測	
• 低温度星周りのハビタブルな「1」地球質量の惑星の直接撮像	  ○	  SEITにより主星近傍（10pcで0.1から0.3AU）の地球型惑星を観測（青色）。	  
	  SEITはK型星からM型星のHZにある地球型惑星が検出できる。	  

太陽質量で規格化した主星の質量	

○ Habitable	  Zone(HZ):	  生命を育む「液体の水」が惑星表層に存在し得る領域（灰色）	  SEITで地球型惑星が検出できる領域	
地球	 木星	1.0	 太陽系	

Gl	  581系	

0.3	0.1	
0.01	

SEITでHZにある	  地球型惑星が	  検出できる主星の	  範囲(矢印)	  1.0	0.1	
軌道長半径	  (AU)	

10.0	9	

要求仕様	• 主星との離角10mas（1.5l/D@J	  band）
で10の8乗の高いコントラスト	  • 分割式望遠鏡で有効に働く高コントラスト装置	  着眼点：	  天体干渉計は、天体からの波面を分割し、干渉。（分割式望遠鏡を一部マスクしたものと同じ）。干渉計は空間分解能の点で有利。	  
干渉計の原理を応用した「主星光を低減させる装置（コロナグラフ）」と「波面測定装置」を組み合わせ、新しい観測方式を創案。	  	  開口面		  開口面	

焦点面	

焦点面	

分割式望遠鏡	天体干渉計	

10	

観測方式	
恒星	地球大気＋望遠鏡+観測装置	  により乱れた波面	

地球大気	
望遠鏡	 SEIT	

惑星	
撮像	  （主星からの	  大量の光子）	

SEITの波面測定器で	  波面の乱れを高精度に測定し、乱れる前の波面（理想的な回折像）を復元。	  
波面情報	

高コントラスト撮像	

撮像	

波面情報に基づき、	  理想的な回折像を復元。	  

サイエンスカメラ	

乱れる前の波面	高コントラスト撮像	  （恒星光の低減）	
3桁の低減	  恒星光が低減された	  理想的回折像	5桁の低減	
惑星光を検出	

11	（*	  従来の手法では、主星光はコロナグラフにより低減されるので方式の応用ができない）	

シミュレーション	• 設定：	  -­‐	  恒星と惑星の強度比:	  106	  -­‐	  惑星の角距離：	  10mas	  補償光学による	  大気の	  位相スクリーン	 位相補償	  	  惑星検出	

• AOシミュレーション（0.5msec	  2千枚）	  1時間の予想されるコントラスト： 	
~ 3600 × 10 6 = 1.7 × 10 8視野	  ~0”.1	

要求仕様を満たすことを確認。	  
シミュレーション結果（1秒積分）	
12	

実現までのシナリオ	
実験室  京都3.8m望遠鏡	   	  TMT	  	目標：2022にファーストライト	
2011-­‐2012:	  室内実験・予備設計予算	  （若手連携分野間プロジェクト。単年度800万）	  2013-­‐2016:	  中口径用の装置予算	  （小型科研費、留置金等）	  2017-­‐2022:	  TMT用装置詳細設計・製作予算	  (大型科研費＋国内TMTプロジェクト予算（＋国際協力）)	  13	

なぜ、京都3.8m望遠鏡か？	
1. 分割式望遠鏡	  	   京都3.8m望遠鏡はTMTと同じ分割式望遠鏡である。	  
強調すべきは、分割式望遠鏡で高コントラスト観測の成功例はない。提案する観測技術を京都3.8m望遠鏡に応用し、高コントラスト観測を成功させ、SEITの実現に大きく近づけたい。	  
2.	  	  	  	  観測時間	  観測装置の性能実証には、望遠鏡を通した天体観測を時間をかけて行うことが重要である。新型望遠鏡との組み合わせではなおさらである。共同利用が主目的のすばるやKeckではなく、共同利用が半分に限られた京都3.8m望遠鏡で初めて実現できる。	  
技術	

京大岡山3.8m望遠鏡	
分割鏡での初の高コントラスト撮像（実証実験）	

TMT/SEIT	

14	

京都3.8m望遠鏡で目指すサイエンス	• 2013年打ち上げ予定の位置天文衛星（GAIA）は、高精度な恒星の位置変化の測定により木星質量の惑星が検出できる。また、力学質量が決定できる。	  
• 京都3.8m望遠鏡に搭載する性能実証機により、GAIAで検出された木星型惑星の追観測を行い、惑星進化を解明する。	  
天体位置測定法：	  惑星が存在すれば、恒星は惑星との共通重心を公転する。天球面上での恒星の位置変化を精密に測定し、間接的に惑星を検出する。	  

GAIA衛星の想像図	

共通重心	

恒星	（見えない）惑星	
天球面	
天球面:視線方向と垂直な面	
15	
天体位置測定法の概念図	

• 問題：直接撮像で検出された惑星候補の質量には大きな不定性が伴う	•	  	  惑星質量の推定方法：	  	  	  	  	  観測と進化モデルを比較。 	  
例：50Myrの恒星の周りで15等級の	  明るさの伴星候補を発見	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  6木星質量	• 質量不定性の要因：	  -­‐	  	  	  	  	  年齢の不定性（例:	  GJ758b） 	  -­‐ 惑星進化モデルの不定性。若い惑星ほど、進化モデルに大きな不定性がある。	  
 これまでに直接撮像により検出された惑星候補の質量には大きな不定性がある。 	

Hバンドでの絶対等級	

惑星質量の不定性	

50Myr	
モデル1	  15等	

年齢（Myr）	

惑星進化モデル（Baraﬀe	  et	  al.2003より作成）	

惑星進化モデルの比較（Marley	  et	  al.	  2007の図を改変）	
16	

戦略	

着眼点：	  位置検出測定法と直接撮像は形成直後の若い惑星を検出できる。	  
GAIA衛星  惑星の力学的質量	  京都3.8m望遠鏡  惑星の明るさ、温度（メタン）	  ＊直接撮像の検出限界は重力不安定	  モデル1（重力不安定）に基づいて導出	

鍵となるパラメータ：	  どれだけ主星近傍まで惑星を観測できるか？	  
（HiCIAOでは内側が観測できないので、	  GAIAのパラメータスペースを埋められない。）	  SEITの観測方式により初めてGAIAの	  パラメータスペースが埋められる！	  
戦略：	  年齢が精度よく決まっている近傍の若いMoving	  Group及び散開星団のメンバ星に着目。	  
GAIA衛星で発見された若い惑星を3.8m望遠鏡で明るさを測定。	  
 惑星進化モデルに観測的な制限。	  	  これまでに検出された「惑星候補」の質量に	  	  	  	  	  重要な知見。	

20pcにある恒星の周りでのGAIA（青）と	  京都3.8m望遠鏡（赤）の検出限界	 17	

京都3.8m望遠鏡における計画	
想定：2014年に京都3.8m望遠鏡のファーストライト（FL）	  望遠鏡のFLと同時に「性能実証機のFL」を目指す。	  

• 2011年-­‐2012年: 室内実験により手法の実証	  • 2013年： 組み立て開始 （小型科研費、留置金等）	  • 2014：ファーストライト （目標コントラスト:	  5等星で105、10等星で104）	   50MyrのMoving	  groupで1.5AU以遠の3木星質量より重い惑星を観測 	  18	

実験光学系	
現状：光学調整を開始。2011年度以内に手法の実証を目指す。	

セグメント型	  111素子可変形鏡	19	

地球型惑星と生命の探査：現状	「検出」から「特徴づけ」へ	

TMT/SEIT（地球型惑星の特徴づけ）	  すばる望遠鏡/IRD（地球型惑星の検出）	  ●	  2010-­‐2014年度の科研費により推進。	  
2014年の観測に向けたサイエンス・技術	  検討を広いコミュニティにより行っている。 	  

極限補償光学における	  国際協力	

Gemini	  Planet	  Imager	  (GPI) から PFIへ	  Subaru	  Coronagraphic	  Extreme	  AO	  (SCExAO)	

京大岡山3.8m望遠鏡（木星型系外惑星の探査）	  ●SEITの試作機を国内初の分割式望遠鏡で	  性能実証を行い、木星型系外惑星の観測を	  通して惑星進化の解明を行う。	

●極限補償光学の実証実験	
各望遠鏡に最適でユニークな	  系外惑星装置開発を進める	   20