光赤天連シンポジウム：2030年代の戦略的中型をどうするか
2022年2月22日(火)トランジット系外惑星大気サーベイ観測

Ariel
Atmospheric remote-sensing infrared exoplanet large-survey

生駒 大洋(国立天文台・科学研究部)

Atmospheric Remote-sensing Infrared Exoplanet Large-survey

Ariel 🇬🇧🇪🇺🇺🇸🇯🇵 2029-Exoplanets• ESA M4 ミッション• 近〜中間赤外域 トランジット分光観測• 系外惑星大気の特性解明

🇯🇵🇪🇸 2020-

MuSCATs

Multicolor Simultaneous Cameras for Studying Atmospheres of Transiting exoplanets•可視域多⾊トランジット観測•TESS惑星候補から真の惑星の検出•雲/ヘイズを持つ⼤気の特性解明

3🇷🇺🇯🇵🇪🇸 2025-

WSO-UV

World Space Observatory - Ultra-Violet•紫外域トランジット観測•地球類似惑星の検出

🇯🇵 2019-

IRD Intensive Program
Infra-Red Doppler•近⾚外⾼分散分光観測•TESS惑星の質量決定と⼤気と特徴づけ

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ArielAtmospheric remote-sensing infrared exoplanet large-survey- 可視域バンド測光- 赤外域分光• 科学目標

惑星/主星 放射量比 (ppm)• 系外惑星専用赤外分光トランジット観測衛星→ 約1000の系外惑星の大気サーベイ• ESA M4 ̶ 2020.11 採択、2029 打上げ予定• 主鏡 1.1m x 0.7 m
Ariel• 波長範囲と解像度
HST
Spitzer

0.50 − 0.60 μm (VISPhot)
0.60 − 0.80 μm (FGS1)
0.80 − 1.10 μm (FGS2)
1.10 − 1.95 μm with R ≥ 15 (NIRSpec)
1.95 − 3.90 μm with R ≥ 100 (AIRS-CH0)
3.90 − 7.80 μm with R ≥ 30 (AIRS-CH1)- 系外惑星の成分の解明- 系外惑星の大気で生じる物理・化学過程の解明- 惑星および惑星系の形成・進化過程の解明

波長 (μm)ESA-M4 Ariel (生駒大洋)

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参入への経緯および調整状況• 2012年〜 系外惑星の大気モデリングに大学院生と着手 ＋ 欧米で宣伝活動• 2017年秋 Ariel ミッションのサイエンス検討に個人的に協力• 2018年11月 サイエンス・コーディネーターして正式に個人参加- 卒業生数名が欧州の Ariel 関連グループでポスドクとして雇用され モデル開発に従事- 日本人の理論研究のレベルの高さが再評価された• 2019年11月 日本の参入を提案される→ 欧州諸国と同等のデータアクセス権- Mission Consortium Co-PI Board メンバー
- ESA Science Advisory Team メンバー (ESA内6名＋ESA外2名) → サイエンス選定、ターゲット選定など‣参入条件 ＝ 地上観測サポート ＋ ハードウエア提供(1) 地上観測サポート … トランジット時刻決定、ターゲット事前調査など(2) ハードウエア提供 … 赤外分光器光学素子の開発・提供など•2021年2月 宇宙研理学委員会ワーキンググループ「系外惑星赤外分光」採択- Ariel-JP：生駒大洋、塩谷圭吾、藤井友香、伊藤祐一、川島由依、成田憲保、福井暁彦、亀田真吾、村上豪•2022年3月 Ariel コンソーシアムにて Co-PI として承認 (予定)
ESA-M4 Ariel (生駒大洋)

4赤外分光器の光学素子の開発・提供
主担当：塩谷 圭吾• フ ラ ン ス 赤 外 分 光 器 開 発 チ ーム
(AIRSチーム) と共同• CaF2 レンズとプリズムに対する反射防止(AR)コートの実現性の検討• CaF2 レンズの製作と提供• ARコートの実現性が検証された場
合、レンズとプリズムへのコートの適用• 総経費 ≒ 7000万円
ESA-M4 Ariel (生駒大洋)

5地上観測サポート体制の確立
MuSCATs

主担当：成田 憲保、福井 暁彦

可視光多波長ﾄﾗﾝｼﾞｯﾄ観測を24時間体制で→TESS・Arielターゲットの集中的観測
・偽検出の排除・TTVによる質量決定・トランジット時刻の高精度決定
・大気の雲/ヘイズの調査

1号機 (岡山) 科研費基盤A (代表：成田）

324h
22号機 (テネリフェ島)
ABC装置開発費 (代表：成田）

3号機 (マウイ島)
新学術領域計画研究 (代表：生駒）
ABC装置開発費 (代表：成田）

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very deep knowledge of a select sub-sample of objects. To maximize the science return of Ariel and take fulladvantage of its unique characteristics, a four-tiered approach has been formulated, in which observations areanalysed binning the raw spectra –taken always at the focal plane native resolution– in bins of different widths,
such that the desired SNR appropriate for each tier is reached. A summary of the survey tiers is given in Table
3-1. In the following subsections we report the expected performances of the Ariel mission following the 4tier strategy.

データ公開ポリシー (予定)

Tier nameTier 1

Reconnaissance
SurveyTier 2
Deep Survey

Tier 3
Benchmarkplanets
Tier 4Phase-curves &bespoke
observations

Observational strategy

Planet/star disk cross section[ppm]

Table 3-1: Summary of the survey tiers and the detailed science objectives they will address. The corresponding science
requirements are listed in Table 3-2.
The Astronomical Journal, 157:242 (17pp), 2019 June
Edwards et al.
Simulated date for planet similar to Wasp-39 b (Edwards+, 2019)
24000

Science case

- What fraction of planets are covered by clouds?
of small planets have still retained H/He?
22000
Low spectral resolution - What fraction
observations of ~1000 - Classification through colour-colour diagrams?
planets in the VIS & IR, - Constraining/removing
degeneracies
inthe20000
interpretation of mass-radius diagramswith SNR ~ 7- Albedo, bulk
temperature and energy balance for a18000
subsample.

Tier 1Tier 2Tier 3- Main atmosphericcomponent for small planets
16000
Higher spectral resolution - Chemical abundances of trace gases
thermal structure (vertical/horizontal)
observations of a sub- - Atmospheric
14000- Cloud characterization
sample in the VIS-IR
12345678- Elemental
composition(gaseousplanets)
Figure 1. Simulated data for a planet similar to Wasp-39 b in each tier. The atmosphere has been modeled in chemical equilibrium with solar metallicity andWavelength (μm)
High SNR observations - Weather and temporal variabilityin 1-2 events, re-observed - Very detailed knowledge of the planetary chemistry andover time
dynamics

C/O=0.5. The error bars are calculated using ArielRad and the spectra are offset for clarity. The larger errors at the red end of AIRS channels 0 and 1 are due to a
reduced sensitivity caused by optical ﬁlter cutoff, and detector sensitivity, respectively. This will however be mitigated by the cross-channel spectral overlap of thebaseline design which is expected to reduce the error bars at the transition between channels 0 and 1.

- Targets of special interests
Phase-curves
and - Spatial variability- Very detailed knowledge of the planetary chemistry andbespoke observations
dynamics
7ESA-M4 Ariel (生駒大洋)

2030

🇯🇵JASMINE

Dopper, Infra-red

Subaru-IRD 🇯🇵

Survey for exoplanets around late M dwarfs

UVVis

IR

2021-

HubbleCh

Survey for long-period exoplanets🇺🇸🇪🇺zatio

Detection of Earth-analogs with extended atmospheres

PRIME 🇯🇵2020

acte

WSO-UV Transit, Ultraviolet spectroscopy

arMicrolensing, infra-red

VLT etc.

ri🇷🇺🇯🇵🇪🇸Subaru 🇯🇵JWST

nCharacterization of exoplanet atmospheresDoppler, infra-red

Survey for exoplanets around late M dwarfs

ELT 🇪🇺🇷🇺🇯🇵🇪🇸niotectDe🇪🇺🇺🇸🇨🇦🇯🇵
Ariel Transit, Infra-red, spectroscopy

Survey for long-period exoplanets

SAND 🇯🇵2030s
2027-

Transit, infra-red
Survey for exoplanets around late M dwarfs

🇺🇸🇯🇵+Roman Microlensing, infra-red🇺🇸🇯🇵🇨🇦🇨🇳🇮🇳TMT, GMT

2029-

2040

Ariel

Characterization of Earth-analogs
Biosignatures

2030s 🇯🇵TMTLUVOIR-HabEx
2040s 🌐2025-

Exploration

Image, infra-red

Characterization of Earth-analogs
BiosignaturesLAPYUTA

Exoplanet

LUVOIR-HabEX

🇪🇺🇺🇸🇨🇦🇯🇵🇺🇸🇯🇵🇨🇦🇨🇳🇮🇳WSO-UVJapanese contribution toSpectroscopy

Image, UV-IR

まとめ
Atmospheric remote-sensing infrared exoplanet large-survey (Ariel)• 惑星系の多様性とその成因の解明に向けた次のマイルストーンは多様な系外惑星の大気の特徴および成因を理解することである。

• そのために、系外惑星赤外分光観測計画 Ariel への参入を予定している。
• Arielへの日本の貢献：(1)科学成果の創出、(2)地上観測サポート、(3)光学素子開発・提供•ISAS宇宙理学委員会ワーキンググループを設置し、戦略的開発研究費をいただ
いて、光学素子のコーティングの実現性を検討している。

•豊富な赤外分光観測データが手に入ることで、日本の特に系外惑星科学コミュニティーの活性化が期待される。

•検出を目的としたRomanやJASMINE、紫外線観測を目的としたWSO-UVに、赤外線観測を目的としたArielを加えることで、国内で系外惑星に関する多様なサイエンスが可能になり、日本の系外惑星科学を現代化することができる。

ESA-M4 Ariel (生駒大洋)

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