系外惑星・⽣命探査
⼩⽟ 貴則
東京⼤学 総合⽂化研究科
先進科学研究機構
光⾚外天連シンポジウム：2030年代の戦略的中型をどうするか
2022/02/21

系外惑星
104

Transit
Radial Velocity

公転周期 [日]103

Microlensing
Direct Imaging

102

惑星候補も含めると、すでに5000天体を超える.

10

TRAPPIST-1 planets
・地球に似たバルク組成.

(Agol+2021)

1・ハビタブルゾーンに位置.

(Turbet+2018)0.1

1
恒星質量 [太陽質量]系外惑星ミッション

⾚外 可視分光

紫外

2020年

2030年
WSO-UVLAPYUTALUVIOR
HabEx

JWST

Ariel
GREX+Roman

トランジット

可視・太陽型

⾚外・低質量星

2040年30年代で何を知りたいか？
何を知るべきか？

地上視線速度測定
地上可視光多色トランジット

MuSCATs系外惑星ミッション ( 2020ʼs )TESS (the Transiting Exoplanet Survey Satellite)
・４つのカメラ・24ºx90º (=1 sector)をカバー. 27⽇間.
・2k x 2k CCDs
・600-1000nmに感度 (Keplerは400-900nm).

( MIT)©︎-> MuSCATs+IRDなどの地上望遠鏡でフォローアップ(質量, TTV).

系外惑星ミッション ( 2020ʼs )・True planet
g bandr bandi bandz band(400-550nm)(550-700nm)(700-820nm)(820-920nm)例) TOI-1634b
Relative ux

TESSで検出されたものをフォローアップ観測

Light curves from MuSCAT3Time from mid-transit

・False positive

RV from Subaru/IRD

fl[Hirano+, accepted]

系外惑星ミッション ( 2020ʼs )JWST (James Webb Space Telescope)
・主鏡：6 m・波⻑：0.6-28μmScience
・Early Universe
・Galaxies
・Star Lifecycle
・Exoplanets(Greene+2019)(Bean+2018)

Cycle 1：HJsやsub-Nep.が主な対象.
(Trappist1 cの⼤気も)系外惑星ミッション ( 2020-30ʼs )Roman (Nancy Grace Roman Space Telescope)
・⼝径：2.4m
・0.28 deg2 (広い視野)
・波⻑：0.6-2μm
・コロナグラフ装置

Science・Dark Energy
・Dark matter
・Exoplanet©︎・Microlensing
・Direct Imaging

Planet mass (Earth mass)

1000+PRIMEで銀河系内の惑星頻度.
->LUVExへ.

100
101
0.1
0.01

0.1
110
Orbital distance [AU]100( Roman)系外惑星ミッション ( 2020-30ʼs )Ariel (Atmospheric Remote-sensing Infrared Exoplanet Large-survey)
80

・主鏡：1.1 x 0.7 m2(Sing+2015)70・波⻑：(測光)0.5-1.2μm, (分光)1.95-7.8μm

Science~1000個の系外惑星⼤気観測・系外惑星⼤気の特徴づけ
・惑星の形成・進化
ターゲット：

Relative altitude (Heq)60

HJsからスーパーアースの惑星⼤気->物理＆化学過程を解明.
(Tinetti+2018)

50
40
30
20
100.3

0.6 0.8 123
Wavelength [μm]

系外惑星ミッション ( 2020-30ʼs )Ariel (Atmospheric Remote-sensing Infrared Exoplanet Large-survey)
リトリーバル⼤気モデル & ⼤気⼤循環モデル(フォワード)->Thermal phase curveによる⼤気の制約と理解(Charnay+2015)(Tinetti+2018)(Parmentier+2015)

詳細な物理・化学過程が明らかになる.
-> 惑星(系)の起源と進化.

系外惑星ミッション ( 2020-30ʼs )JASMINE (Japan Astrometry Satellite Mission for INfrared Exploration)
・⼝径：40 cm
・視野：0.6 deg x 0.6 deg
・波⻑：1.1-1.6 μm

TESS
D=10cm0.6-1.1μm

Science・⾼精度位置天⽂観測・晩期M型周りのHZ内惑星探査

JASMINE

地上+Spitzer

現時点でのターゲット

内側惑星が⾒つかっている系での惑星探査.
-> 25天体観測で予想値2-5個のHZ地球型惑星.

(HZトランジット幾何確率=20-40%)+褐⾊矮星, 若い星, アストロメトリ探査なども検討中.
(増⽥さん)

系外惑星ミッション ( 2020-30ʼs )WSO-UV (World Space Observatory - Ultra Violet)
・主鏡：1.7 m

・波⻑：~110-320 nm
UVSPEX(UV spectrograph for exoplanet) (⽴教⼤ ⻲⽥さんなどが開発)

Science

上層⼤気の観測(酸素コロナ)-> 惑星のハビタビリティ

Altitude [km]105104103102102103
104
Temperature [K]105系外惑星ミッション ( 2020-30ʼs )WSO-UV (World Space Observatory - Ultra Violet)
3NO

Altitude [km]101033CO

Out-of-transit
In-transit
地球ｱﾅﾛｸﾞのﾄﾗﾝｼﾞｯﾄ
観測を模擬：大気O2は非生物由来のみ。

2PO2 = 2 μbar,
PCO2 = 20 mbar

1.5-13

CO2O2O3

H2O
2102 101044
10NN2N22.5

TRAPPIST-1 e

68CO2101214106 101010108 101010
1012 101014
3
Number density [1/cm ]-3] -3]
Numberdensity
数密度[cm[cmCO2OHCO2H2OO3CO(Nakayama, Ikoma+, in prep)

10.5
01304

1304.21304.41304.6

Wavelength[Angstroam]
Wavelength[Å]fi

Altitude[km]
高度 [km]C

1010222H

13 erg erg/s/nm/cm
FluxFlux[10[10cm-2 nm-2 s-1] ]Thermosphere model

OI Spectral Line Pro le Model

1304.81305系外惑星ミッション ( 2040 - )LUVOIR/HabEx

・主鏡：6 m・波⻑：UV/Optical/IR・コロナグラフ/Starshede

Science・ハビタブル惑星の表層環境
・太陽系内天体の⾼解像モニタリング
・銀河・宇宙の構造©︎( LUVOIR/HabEx)

何を知りたいか？何を知るべきか？の30年代
2030年WSO-UV

2040年
LAPYUTALUVIOR
HabEx

⾚外 可視分光紫外2020年

JWST

Ariel
GREX+Roman

トランジット探査

TESS

JASMINE

30年代の課題ホットジュピターに関して理論＆観測わかっているものを詳細に理解する。
両⾯の成⻑が必要不可⽋
地球型惑星&ハビタブル惑星へ向けてハビタブル候補天体を増やす。地球型惑星を多⾓的に検証する。

何を知りたいか？何を知るべきか？の30年代
ホットジュピター (~sub Neptune) に関して20年代において、ホットジュピターの理解はかなり進んでいく.
現在わかっている and/or 20年代で明らかになるホットジュピターの分布＆⼤気の特徴 -> 理論による検証が必要.
地上⾼分散(IRD, REACHなど)
⾼分散分光 + リトリーバルモデル
TESS/JWST/Ariel/GREX+
Luhman 16A case
次世代GCM
⾼解像度GCM(⼤気循環/雲分布/化学)(Kawahara+2022)

何を知りたいか？何を知るべきか？の30年代
地球型惑星に関して
スーパーアースに関して理解できていないことが多い.
Photochemistrytransit depth

UV

TESS/JWST/Arielwavelength

GCM + clouds/hazeGeo-dynamic sim.

・光化学モデル/実験.
・スーパーアースの⼤気循環.
・M型周りにおける, 惑星内部活動.

内部と⼤気 and 起源と進化. ハビタブルかどうか？
->TMT/LUVOIR+HabExへ.

denotes the logarithm of the column density of the cloud. The transit of thissimulated cloud gives rise to absorption over the blue wing of the Lyman-a line
as shown spectrally in Extended Data Fig. 2 and by the synthetic light curvein Fig. 2a.
29.5

30.5

planet escape velocity (,26 km s21 at the planet surface), consistent
with gas escaping from the planet. The acceleration mechanism ofhydrogen atoms escaping from highly irradiated hot Jupiters isdebated: after escaping the planets with initial velocities dominatedby the orbital velocity (,100 km s21 for GJ 436b in the host starreference frame), atoms are submitted to the stellar radiation pressure,interact with the stellar wind and are eventually ionized by stellar
extreme ultraviolet (EUV; 10–91.2 nm) radiation. For strong lines suchas Lyman-a, radiation pressure can overcome the stellar gravity, repelling the escaping atoms towards the observer and producing a blueshifted signature. In one hot Jupiter (HD 189733b), the absorption

何を知りたいか？何を知るべきか？の30年代

b, Data are from visit 1gles). All uncertainties
2120,240] km s21
out-of-transit flux of
47.2 6 4.1% (posts21 and shows no6 3.5% (in-transit) andtical transit (thin blackcontact points (dottedted from the threehe data in a.

ハビタブル惑星へ向けて - 太陽系と系外惑星 ⼤気散逸と⼤気進化の理解へ

–40

–6–60
–80–8s )1.5
1.5–100–10–120
–8

–6
–4
–2
Distance (R )024Figure 4 | Polar view of three-dimensional simulation representing a sliceof the comet-like cloud coplanar with the line of sight. Hydrogen atom
velocity and direction in the rest frame of the star are represented by arrows.
Particles are colour-coded as a function of their projected velocities on the lineof sight (the dashed vertical line). Inset, zoom out of this image to the full spatial
extent of the exospheric cloud (in blue). The planet orbit is shown to scalewith the green ellipse and the star is represented with the yellow circle.

太陽系を⾒ながら系外をやるH I Lyα blue wing

erg cm–4–10

トランジット光度曲線

1.0
1.0

Flux (×10–20

Flux (x10-14 –14erg cm–2-2 –1s-1)

0–12

WSO-UV/LAPYUTA

GJ1214b(スーパーアース)
20–12–14

RESEARCH LETTER
a 2.0

Doppler velocity (km s–1)

y contrast, the fluxof the line (Fig. 2b).
e post-transit phases
he mean post-transit
n at the 3s level.
data (see Methods)
plain the observed
metric absorption isd, surrounding andphere is an obvious
ction signature, weof neutral hydrogenhe sky of ,12 stellar
lanet and ,2.5Rw inobe radius (0.37Rw).
sit, we surmise thathe star. This could
central transits from
ervations of systems
man-a eclipses.
ignal constrains themensional structure
e is in excess of the⼤気散逸シミュレーション

Distance (R )0.50.5b00
5-4-2024
29.5 30.5
Time (hour) (Ehrenreich+2015)
H I Lyα red wing4
紫外から⾚外、天⽂から地球惑星まで、広い視野で進めることが必要不可⽋.

5 Macmillan Publishers Limited. All rights reserved

0–14 erg cm–2 s–1)

4

32Fig
trarepwhpla何を知りたいか？何を知るべきか？の30年代ハビタブル惑星へ向けて - ハビタブルな環境の制約 -ハビタブルゾーン内側境界ハビタブルかどうかは惑星気候が重要.
M型星周りの潮汐固定惑星の⼤気循環(Kopparapu+2017)

ハビタブル気候がどう決まるか？
恒星質量/惑星軌道要素

⼤気圧/⼤気組成/(Wordsworth&Kreidberg2022)

しかし、数が少ない.

海陸分布/氷床分布…

温度/循環場/雲量/降⽔…
ハビタブル環境

何を知りたいか？何を知るべきか？の30年代ハビタブル惑星へ向けて - ハビタブルな環境の制約 ->数が少ない. ハビタブル惑星候補探しが必要.
⾼分散分光コロナグラフ観測
⽔蒸気検出シミュレーション(増⽥さん)

スーパーアースの⼤気.
酸素分⼦の検出.
(Kawahara&Hirano2017) (⽣命兆候)

ハビタブル惑星候補を多く検出->特徴づけにはTMT/LUVOIR+HabExへの参加が必要.

何を知りたいか？何を知るべきか？の30年代ハビタブル惑星へ向けて - ハビタブルな環境の制約 -TMT/ELT⼤気組成の制約⼤気-内部の循環

LUVOIR/HabEx

雲/⽔蒸気分布(⼤気循環)

海陸⽐.
表⾯組成のMapping

ハビタブルな環境 -> 地球の理解(Kuwata+)

まとめ
2030年
WSO-UV

2040年
LAPYUTALUVIOR
HabEx

⾚外 可視分光

紫外

2020年

JWST

Ariel
GREX+
Roman

トランジット探査

TESS

JASMINE

30年代の課題ホットジュピターに関して理論＆観測
わかっているものを詳細に理解する。
両⾯の成⻑が必要不可⽋
地球型惑星&ハビタブル惑星へ向けてハビタブル候補天体を増やす。地球型惑星を多⾓的に検証する。