ミリ波・サブミリ波でのガス惑星大気観測

代表的な観測成果

小天体衝突による大気組成汚染は普遍的？

新たな成層圏大気組成観測結果

サブミリ波高分散分光で迫る、ガス惑星大気微量成分の起源
飯野孝浩
名古屋大学 太陽地球環境研究所

January 6, 2014

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小天体衝突による大気組成汚染は普遍的？

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ミリ波・サブミリ波でのガス惑星大気観測

観測可能分子 CO, HCN, CS, H2 S etc... 基本的には微量分子
観測領域 対流圏〜成層圏
メリット 高分散分光による高度分布、風速場の導出
デメリット 炭素鎖分子の励起がほとんどない
空間分解能が低い (ASTE345GHz で 22”)
代表的望遠鏡群 ALMA(Chile), ASTE(10m, Chile), APEX(12m, Chile),
JCMT(15m, Hawaii), CSO(10.4m, Hawaii), SMA(干渉計, Hawaii),
SMT(10m, Arizona), IRAM-30m(Spain)
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SL9 衝突後のモニタリング (Moreno+ 2003)

概要 1995-1999 まで、衝突由来分子の濃度、高度分布、水平分布をモニタリ
ング
分子の存在高度：p<0.2mbar の上部成層圏
観測分子 CO, HCN, CS, OCS, H13 CN, HC15 N, C34 S
測器 IRAM-30m, JCMT, CSO
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海王星 CO, HCN の発見 (Marten+ 1993)

HCN p<3mbar に偏在→ Cold trap 上部に輸送されている

衛星 Triton からの N-atom の流入？
CO 対流圏上部〜成層圏にわたって 1ppm 存在

木星の 100 倍、土星・天王星の 1000 倍
内部由来とすると、内部の O/H は太陽系の 440 倍必要 (Lodders+, 1994)
CO の起源を明らかにするには 広帯域・高分散分光で対流圏〜成層圏にわたる高度分布の取得が必要
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海王星 CO の広帯域・高分散分光 (Hesman+ 2007)

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成層圏微量分子観測

p<6mbar が CO-rich
100 年前の SL9 級の衝突で説明できる（理論予想では 5000 年に 1 回程度の衝突頻度）
内部・外部双方からの輸送が示唆
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土星と天王星ではどうか？

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土星 CO も外部起源？(Cavalie+ 2010)

観測 CO(J=6-7), JCMT
1-10mbar にピークを持つ鉛直分布
SL9 級の衝突で 100 年前？

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土星 CO も外部起源？(Cavalie+ 2010)

観測 CO(J=6-7), JCMT
1-10mbar にピークを持つ
SL9 級の衝突で 100 年前？
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天王星 CO も外部起源？(Cavalie+ 2013)

観測 CO(J=8-7), Herschel HIFI

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成層圏大気組成観測のもたらすサイエンスと課題

微量分子観測から・・・ 小天体分布の間接的取得
小天体中同位体比 (15N/14N, 18O/16O) 勾配の取得
系外惑星大気進化の非平衡過程として組み込み可？（妄想）問題点も CO 鉛直分布は正しいのか？
拡散速度係数の不定性大衝突頻度が理論値より高すぎる？
スペクトル形状導出に必要な測器の安定性に疑問というわけで 新たな微量分子観測が、新たな物理量導出としても、そもそもの小天体衝突起源の検証としても重要!
→観測のモチベーション

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新たな海王星＆木星微量分子観測

海王星 15N/14N 取得 15N/14N:形成時の温度を反映か (Jerome+ 2004)
太陽系 15N/14N：天体間で大きな勾配を持つ→サンプルを増やしたい
海王星 HCN の起源：衛星 Triton or 彗星？
→太陽系外縁部の貴重な 15N/14N サンプルになりうる
海王星硫化物分子サーベイ 大規模衝突で彗星核の大半はガス化→ガス中の元素組成比は小天体のそれを反映
たとえば：SL9 イベント時の [CS]/[CO] 比は太陽系の値と consistent
硫化物の検出は、CO 外部起源説を強力にサポートする！
（できれば同位体比も・・・）
木星硫化物も重要 生成時期がわかっている
モニタリング観測で、ガス惑星大気中の硫化物の化学反応素過程を明らかにできる！

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SL9 イベント後の硫化物分子17 / 31ミリ波・サブミリ波でのガス惑星大気観測

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Triton の氷火山

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これまでの観測

ここでは海王星硫化物サーベイの結果を紹介

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海王星硫化物観測

目的 硫化物の検出/非検出から、海王星への小天体衝突の有無や時期を制約
対象分子 CS:SL9 後に dominant
SO2:O-rich な彗星組成で産生?(Zahnle, 1996)
OCS:SL9 イベントで一時的に検出 (Lellouch+ 1996)
H2CS:CH3 + S で産生
H2S:H-rich な環境では自然な帰結？

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ASTE 望遠鏡

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海王星硫化物サーベイまとめ (Preliminary)

結果 H2 S 以外の対 CO 存在比は 1% 以下

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Discussion

硫化物の不検出は何を意味するのか？
解釈 CO 小天体起源説の棄却？
Deposition の可能性 (後述）
他のリザーバー？ H2 S? S2 ? S8 ?
→詳細な化学計算が必要
S/O 比が低い天体が選択的に流入？
少なくとも・・・ CO 小天体起源説に新たな課題を投げかけた？

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硫化物は気相で存在できるのか？

液相-気相の Antoine 式定数は NIST にだいたい揃う
成層圏ではだいたい気相で存在できそう
ただし、固相-気相は H2 S 以外分からない・・・25 / 31

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木星 CS モニタリング

CS 存在量の低下がとらえられた存在量の見積りに難あり（リムの輻射輸送）
ただし、SO2 や OCS は不検出

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今後の課題・まとめ

海王星 硫化物の不在をいかに説明するか。。。
→ ALMA,Subaru 等による追観測→化学シミュレーション
木星 CS, HCN, CO の時間変化の導出
とくに CS を中心とした化学反応過程をおさえる

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ありがとうございました。

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