Subaru /TMT Science Book

第1章

背景と概要

Chapter 1

1 .1

本書の趣旨と科学目標のハイライト

つなげるための具体的な装置開発・観測計画を策定することを目標とする。また TMT と他の超大型望遠鏡との競争を意識し、初期科学運用の具体的な計画策定につなが2019 年、口径 8.2 m を誇るハワイ・マウナケア山頂のすばる望遠鏡はめでたく二十歳（はたち）を迎えた。1999

る科学目標を設定する。今後の世界的な観測的天文学全年に産声を上げてから今日まで、日本の光学赤外線天文的な成果を挙げるための連携の重要性を強調する。

学コミュニティはすばる望遠鏡とともに歩んできたと言っても過言ではない。宇宙最初期銀河の発見や多様な原始体の潮流もふまえて、その中ですばる +TMT が最も効果
以下、本書に挙げた「すばる +TMT」が目指すサイエン
スハイライトをいくつか抜き出し、まとめる。

惑星系円盤の解明をはじめとする数々の華々しい成果を継続的に挙げ、世界中の研究者に注目されるだけでなく、メディアやアウトリーチ活動を通して一般市民にも広く知れ6

生命を育む第二の地球の探査渡っている。この成功を受けて、次の超大型望遠鏡プロ

我々が住む地球のような星は宇宙には他にもあるのだろジェクト（TMT：30 メートル望遠鏡）が計画され、日本うか ? そしてそこに生命はあるのだろうか ? この素朴であはこの国際共同プロジェクトの大きな一翼を担うべく推進りながら人類にとっての根源的な問いに、天文学は答える

し、建設予算が認められ、現在主鏡を初め本格的な製造必要がある。1995 年の最初の発見以来、系外惑星の研究段階に入っている。しかしながら、天文学における国際競は目覚ましい発展を遂げた。現在までに、地上やスペー争が厳しさを増しており、これからも世界の望遠鏡に伍しス両面から様々な手法により、木星のような巨大ガス惑星て顕著な成果を創出し続けるためには、これまで以上にから地球のような岩石惑星の存在まで、疑う余地がなく、戦略的な科学運用が必須である。特に、すばる望遠鏡と豊富に存在することも知られるようになった。その中にTMT との役割分担を明確にし、両方を連携させることには、生命が存在可能なハビタブル惑星の可能性も示唆さよって初めて得られる独創的で大きなシナジー効果を追求れている。すばる望遠鏡と TMT により、そのような惑星することが、日本の光学赤外線天文学にとって極めて重における生命の存在を示す「バイオマーカー」を検出する要であると言えるだろう。

ことができるようになるだろう。

そのような背景のもと、すばる科学諮問委員会と TMT

すばる望遠鏡では、HiCIAO による惑星の直接撮像探科学諮問委員会とが主導し、国立天文台 TMT プロジェク査が行われ、我々の太陽に似た恒星のまわりに存在するトおよびハワイ観測所が事務局となって、この度「すばる巨大ガス惑星が発見された。また若い恒星のまわりに、+TMT」サイエンスブックを作成することになった。具体生まれて間もない惑星が存在する可能性がある、多様な的には、すばる望遠鏡は広視野に重点をおいた望遠鏡と原始惑星系円盤が存在することを明らかにした。近年、する戦略を進めているが、2020 年代以降のすばる望遠鏡

惑星検出の妨げとなる大気揺らぎを極限まで小さく抑えるの科学戦略を明確化し、科学運用及び装置開発の計画策

極限補償光学 SCExAO が開発され、これまで観測が難し定の基礎資料とすること、国際計画との連携を含めたすかったより暗いガス惑星の観測が飛躍的に進展するはず

ばる独自の科学的戦略、およびすばる望遠鏡から TMT にである。さらに近傍 M 型星まわりのハビタブル惑星検出

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を目指した、IRD による、主星の視線速度変動を捉えるドップラー法での大規模なサーベイ観測が今まさに行われつつあり、今後 5 年間で、太陽系の近傍にいくつかのハビタブル地球型惑星を含む、多様な惑星系が発見されるだろう。
今や我々には、これまで行われてきた系外惑星探査をさらに発展させることで、すばる望遠鏡と TMT を用いて生命を宿す可能性のある多くの地球型惑星の発見と、究極の目標であるバイオマーカー探査への道筋が見えている。地球型惑星の探査では、現行のすばる望遠鏡 IRD 装置の感度を大幅に向上させると共に、より低質量の惑星検出を目指した Neo-IRD 計画があり、ハビタブル地球型惑星の発見数は大幅に増えるだろう。そして TMT 時代に離して検出し、分光観測を行うことで、酸素分子やオゾ

図1.1：すばる望遠鏡 SCExAOによるHR 8799のまわりの惑星の赤外線画像。3つの惑星が明瞭にとらえられている。この視野の外側にもうひとつ惑星（b）が存在することがわかっている。
Credit: NAOJンといったバイオマーカーを探査することになるだろう。

そして進化を遂げてきたのかを知ることは、我々の起源をは、PSI および MICHI による超高コントラスト直接撮像によって、ハビタブル地球型惑星を主星から空間的に分その時代に向けて、すばる望遠鏡では現在、SCExAO知ることにも繋がっており、大いに好奇心を掻き立てられによって TMT 時代にブレイクスルーを起こす次世代キーる。この根源的な謎に、すばる望遠鏡と TMT は今後どのテクノロジーが試されている。IRD と SCExAO を組み合ように挑むのか ? すばる望遠鏡の広視野観測能力と TMTわせ、超高コントラスト撮像かつ高分散分光観測を行うの大集光力と高い分解能を戦略的に組み合わせることにことによって、惑星大気中の分子を直接検出する高分散より、今後も我々は最前線で、人類の銀河形成・進化の分光コロナグラフは、PSI や MODHIS の先駆けとなる極理解に大きな貢献をし続けることができるであろう。

めて重要な技術である。また究極の検出器である超伝導

まず、宇宙で最初に生まれた最遠方の初代天体を探査共振器カメラ MKIDS は、読み出しノイズを極限まで軽するというのは銀河天文学の究極の目標の一つである。

減し、超高速での大気揺らぎ検出と惑星光の分光まで可

すばる望遠鏡はこれまで可視光の超広視野カメラを武器能にする。これらの開発は PSI の核となるため、次世代のに、稀な超遠方天体の探査を有利に進めてきた。しかし

TMT に向けた、このような新技術開発のテストベッドと今後は近赤外線に移り、可視光では見られないほど大きしてのすばる望遠鏡の役割・存在意義も極めて大きいとく赤方偏移した天体を探すことになる。すばる望遠鏡の言えるだろう。

ULTIMATE プロジェクトは、広視野補償光学による近赤またこれらの技術開発により、すばる望遠鏡自身でも、外線探査によって、K バンド帯で広くかつ深い独創的なパ直接撮像ではこれまで探査が難しかった、主星により近ラメータースペースを開拓し、明るくかつ赤方偏移が 10

い雪線付近に存在する惑星まで迫ることや、より低温・低を超える候補天体を見つけることができるであろう。これ質量惑星の検出を可能にする。さらに、すばる望遠鏡でらの天体の TMT の分光観測によって、存在を確認するだ

直接撮像された惑星に対しては、TMT の大集光力によっけでなく、初代銀河の物理状態も知ることができるであろてはじめて詳細な分光観測を行うことができるため、両者う。また初代の巨大ブラックホールの発見、巨大電離バの連携が不可欠である。このようにすばる望遠鏡と TMTブルに包まれた初代銀河群の発見など、続々と深宇宙にの観測により、系外惑星の開拓領域を様々なパラメータスおける新たな地平が切り拓かれていくであろう。また、未ペース（周期、サイズ、年齢）へ拡大し、普遍的な惑星形到達の深い紫外スペクトルを取得し、初代銀河が銀河空成論の構築が可能になる。これにより我々の太陽系が普間のガスを電離し、物理状態を大きく変える現象（宇宙再遍的な存在なのかという問いに答えることができる。

電離）がいつどのように進行したのかを解き明かすことも期待される。さらに、すばる望遠鏡 HSC 撮像および PFS

銀河形成史のゆりかごから墓場まで銀河とは重力で束縛された星の大集団であり、宇宙を分光の連携により、日本独自の遠方クェーサーサンプルが構築されるが、これらを TMT によって分光することにより、特に巨大ブラックホールの起源を解明するうえで重要構成する基本的な単位天体である。我々太陽系や地球もな小ブラックホールの質量を測定し、また高分解能観測

天の川銀河（銀河系）と呼ばれる銀河に棲んでいる。したにより母銀河の性質やガスの運動などを調べることによっがってこのような天体が宇宙史の中でどのように誕生し、て、銀河中心の巨大ブラックホールと銀河自体との「共進第1章

背景と概要

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化」のメカニズムに迫ることもできるであろう。
次に、形成途上にある銀河とそれを取り巻くバリオン物

う一つの手法が、TMT の補償光学がもたらす高空間分解能により形成途上銀河の内部構造を空間分解し、各銀河質の循環の解明は、面分光観測装置の出現により現在急構成成分の成り立ちや星形成活動の伝搬・終焉の様子を速に進展しており、今後も大きなブレイクスルーが期待さ直接「見る」ことである。アルマ干渉計によるガス成分のれる分野である。銀河形成においては、周囲領域からの銀河解剖学とも合わせることによって、銀河内部の物理ガス降着と、逆に星の超新星爆発や活動的銀河核による過程の進行の様子が手に取るようにわかる時代が訪れる

ガスの流出といった物質循環が、根源的な役割を果たしであろう。ていると考えられている。しかし銀河周辺のガスは直接観最後に、進化の成れの果てである天の川銀河や近傍銀測が難しいため、背景の銀河やクェーサーからのスペクト河を星に分解して、星種族の構成と空間分布、運動を捕ルに、手前にある銀河に付随した周辺ガスによってできるらえ、銀河の形成と進化の歴史を詳細に紐解く「銀河考影（吸収線）を使う、トモグラフィーという手法が用いら古学」は、遠方銀河の直接観測と相補的な手法であり、これる。TMT の大集光力により、より一般的な暗い背景銀れもすばる +TMT により大きく発展する分野である。す河を光源として使えるため、手前の銀河ガスをより高い空

ばる望遠鏡 HSC で探査された天の川銀河外縁部や局所銀間分解能で観測することができ、ガスの降着・流出の様河の星成分を PFS で分光し、大局的な化学組成や運動な子を詳細に調べることができる。そしてそれを母銀河の性どを捕らえ、さらに TMT で深い分光を行ない様々な元素質と関連付けることによって、銀河形成において周辺ガスの情報を得て、宇宙における元素合成と循環の歴史を描の降着と流出とが果たす役割を初めて詳細に描き出すことき出す。北天にある TMT での観測が必要なターゲットがができるであろう。

多いことも重要で、南天の巨大望遠鏡とは相補的である。

形成最盛期を経た銀河は星形成活動性を低下させ、形また、ダストによる吸収が大きな銀河中心部などについて態も現在の銀河に見られる回転円盤成分と丸いバルジ成は、すばる望遠鏡 ULTIMATE によって近赤外線でサンプ分が確立してくる。この過程には銀河自身の内的な要因ルを構築し、TMT へ分光ターゲットを供給できることもと、周辺環境から受ける外的な要因が寄与すると考えら独創的である。

れているが、具体的な物理プロセスは未だ謎である。そ以上のように、すばる望遠鏡で興味深い天体を見つけ、の解決のためには、変遷の渦中にある銀河を詳しく調べ

TMT で詳しく調べるという組み合わせは銀河形成学のある必要があるが、タイムスケールが短い現象なので、銀らゆる場面で有効な手段であり、両者の連携の重要性は河の大規模な母サンプルが必要である。すばる望遠鏡の極めて高い。

HSC と PFS を組み合わせた銀河探査によってはじめて可能となる。そして PFS と TMT による深い分光観測を行い、吸収線スペクトル診断によって、実際にどのように星形成が止まったのか、その物理過程を解明できるであろう。も

図1. 2：シミュレーション計算で得られた100 億年前の銀河とその周辺の物質分布の様子。大規模構造からのガスの流入や銀河からのガスの流出が銀河進化理解のミッシングリンクとなっている。すばるやTMTの多天体分光によって銀河周囲に広がる物質がはじめてとらえられ、ミッシングリンクが解明されることが期待される。
Credit: Shimizu & Nagamine in preparation

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図1. 3：すばる望遠鏡HSC で捉えられた重力波源である中性子星合体に伴う突発現象。左から右へ時系列を表す。
Credit: Tominaga et al. 2018 , PASJ, 70 , 28

マルチメッセンジャー天文学におけるすばる望遠鏡とTMTの連携広い波長域をカバーする分光観測が可能である。これにより、信号源となった天体を特定し、突発現象で起こる物理過程を明らかにする。さらに TMT の集光力を用いる

カミオカンデにおける超新星爆発からのニュートリノのことで、突発的な現象の後で暗くなっていく天体を長期に検出で切り開かれた、電磁波にとどまらない様々な信号わたって分光観測でモニターできる。宇宙の歴史の中で、の検出に基づく天体物理現象の解明は、地上の大型レー

希少な重元素の生成にあたっては重力波の信号源であるザー干渉計によるブラックホールや中性子星の合体現象中性子星の合体現象が重要な役割を果たしたことが示唆からの重力波の直接検出や、アイスキューブ・ニュートリされている。図 1.3 に示す中性子星合体の後の放射をモニノ観測所での活動銀河中心核からの高エネルギーニューターすることで、初期の原子やイオンの生成から、後期にトリノの検出を契機にマルチメッセンジャー天文学とし起こる分子やダストの生成に渡って、そのサインを調べ、て確立した。重力波やニュートリノの信号を検出する能

突発的な現象の後の高い密度の環境で起こる化学過程を力の向上により、銀河系の近傍にとどまらず、宇宙全体時間の関数として追跡することができる。マルチメッセンを見渡してそれらの信号を引き起こす突発的な現象を捉ジャー天文学において、すばる望遠鏡と TMT による可視えることができるようになった。それにより銀河系の近傍赤外線観測は、宇宙空間において重元素や微粒子が生成（我々の周囲）を数十年のタイムスケールで観測するだけされる過程を解明し、我々の身の回りにある太陽系のもとでは起こりえない現象だが、宇宙の 100 億年を超える時間となった物質が、どのようにして宇宙の中で生成されたのスケールでは頻繁に起こり、重要な役割を果たす現象が、か、を理解するうえで重要な役割を果たす。

年間に何度も捉えられるようになった。こうして重力波やニュートリノの信号源となる突発的な現象の統計的な議論が初めて可能になろうとしている。
マルチメッセンジャー天文学において、可視赤外線波

宇宙膨張と構造形成から探る
ダークマターとダークエネルギーの正体

長の観測は、短時間でのフォローアップ観測により、信宇宙全体の枠組みを測定により明らかにする観測的宇号源となる天体の天球上での位置を特定し、天体までの宙論は、人工衛星によるマイクロ波宇宙背景放射の精密距離を求め、光度などの物理情報を引き出すという重要測定や地上望遠鏡による大規模な探査観測によって精密な役割を果たす。特に銀河系の近傍を超えた深宇宙での化が進み、予想を超える新たな謎をもたらしてきた。特

突発的な現象からの重力波やニュートリノの信号の検出に Ia 型超新星の光度距離の測定結果は、加速する宇宙のは、可視赤外線波長では信号源が暗くなることを意味し、膨張という新たな描像をもたらし、ダークエネルギーとい大型望遠鏡を用いた広視野でのフォローアップ探査観測

う斥力をもたらす謎のエネルギーの存在を示唆するものとが威力を発揮する。すばる望遠鏡はすでに稼働しているなった。標準モデルでは現在の宇宙の質量組成の約 94%

HSC や次世代の ULTIMATE-Subaru という世界的にもユはダークマターとダークエネルギーによって構成されていニークな可視赤外線の広視野撮像装置によって、信号源るとされ、それらの正体を明らかにすることは物理学の大となる天体を短時間のうちに発見し、突発的な現象がまさきな課題となっている。ダークマターとダークエネルギーに起こっている状況を即座に捉えるうえで 2020 年代におのもつ性質は、宇宙全体の膨張の歴史と、その中の密度いても大きな役割を果たす。

揺らぎが成長し、銀河や銀河団といった構造が形成されすばる望遠鏡が捉えた突発天体の詳細なスペクトル情た歴史の中に反映されており、観測的宇宙論にはそれら報を得るには TMT が必要となる。TMT は突発的な現象の歴史をひもとくことでダークマターとダークエネルギーに対応して数分以内に天体を捕捉する機能を持ち、可視の持つ性質に迫ることが要求される。

分光器 WFOS および赤外線分光器 IRIS を用いることで幅可視赤外線での精密測定では、宇宙がそれぞれの時代第1章背景と概要9

に実際に膨張している様子を直接捉えられると期待される。高安定性の高分散分光器と TMT の集光力を組み合わせれば、宇宙が膨張することによって天体の赤方偏移が10 年というタイムスケールで変化していく様子を直接捉えられる。この手法を用いれば宇宙の膨張の歴史を各時代に直接捉えることが可能になる。また、現在の宇宙膨張の速度を与えるハッブル定数は、依然としてさまざまな手法での数値の食い違いがあり、宇宙論の標準モデルの破綻も示唆されている。すばる望遠鏡の広視野カメラ HSCによる広視野撮像探査と TMT の高空間分解能および高感度分光観測を組み合わせ、重力レンズクェーサーの多重像を用いた時間遅れの測定や、重力波の光度距離と赤方偏移の比較をすることによって、ハッブル定数を精密に決は、電磁波では捉えることのできないダークマターの密度

図1. 4：すばる望遠鏡HSCによって描き出された100メガパーセクを超える超銀河団構造（銀河の個数密度分布）。約 73 億光年前の時代に対応する。今後もすばる望遠鏡を用いてダークマターと銀河の大規模分布をとらえ、宇宙の大規模構造が描き出される。
林将央氏提供めることが可能となる。
構造形成の歴史をたどる上でも、可視赤外線の観測は重要な役割を担う。すばる望遠鏡の HSC による撮像探査
分布が引き起こす弱い重力レンズ効果を直接測定するこよって新しい宇宙像を切り開くことが期待される。これらとによってダークマターの密度分布を描き出すことに成功の探査で見つかる新たな天体は、2030 年代の TMT でのしている。撮像観測による弱い重力レンズ効果の測定で科学観測の本格化とともに、高い空間分解能と高い波長は、赤方偏移方向を分離して構造形成の歴史を辿ること分解能で観測し、その中で起こる新たな物理過程を解きに限界があるが、すばる望遠鏡 PFS による大規模な分光あかす対象となる。TMT が本格運用する時代のすばる望

探査によって赤方偏移方向に分解した銀河の大規模構造

遠鏡は広視野性能を生かし、マルチメッセンジャー天文を明らかにすることで、ダークマターの密度分布が赤方学の突発天体の同定や SPICA 赤外線衛星をはじめとする偏移方向に進化してきた様子を捉えることができる。この広領域での深宇宙多波長観測との連携において活躍する。

2 つの探査を組み合わせた構造形成の歴史の解明はすば

この時代の TMT とすばる望遠鏡の連携運用では、観測にる望遠鏡の広視野撮像と分光の能力を組み合わせたレガ求められる複雑な要求を踏まえ、実際の観測条件の中でシーの成果となることが期待される。一方でダークマター

どれだけ効率的に必要なデータを取得するかも重要となの持つ性質に強い制限を与える、銀河よりも小さいスケーる。例えば系外惑星の大気の分光観測やマルチメッセン

ルにおいてダークマター塊が作る構造に迫る上では TMT

ジャー天文学の光学赤外線追求観測においては、惑星のを用いた高空間分解能による重力レンズ像の詳細観測が公転運動に合わせ時間を指定した長期のモニター観測や重要な役割を果たす。

突発現象の即時の追求観測が求められ、すばる望遠鏡とこのようにすばる望遠鏡と TMT を用いた可視赤外線での観測的宇宙論の観測は宇宙膨張の歴史とその中での構TMT の特徴と機能を生かし機動的に連携させた観測運用も新たな成果を得る鍵となる。

造形成の歴史を銀河よりも小さなスケールから銀河の大すばる望遠鏡は、最先端の観測技術の科学実証の場と集団のスケールまで解き明かし、ダークマターとダークエしても重要である。現在進められているすばる望遠鏡でネルギーの性質に制限をつける重要な役割を果たす。の高安定の高分散分光、極限補償光学、地表層補償光学等の科学実証は、TMT の装置実現に向けた先駆けとなる。

TMT の科学観測が本格化する時代にあっても、すばる望

2020-2030年代のすばる望遠鏡
1 . 2 とTMTを連携した戦略降の観測装置を実現する上で非常に有効に機能するであろう。また、すばる望遠鏡の広視野大規模探査や TMT のすばる望遠鏡と TMT の連携は、光学赤外線の宇宙観キーサイエンス大規模観測で得られるデータはさまざまな測で世界をリードする上で重要な基盤である。2020 年代研究に活用することができる情報の山である。連携したにはすばる望遠鏡の将来計画「すばる 2」においてユニーデータ公開により、天文学の様々な分野でのデータの活用

クな広視野観測の機能が実現し、PFS による大規模分光だけではなく、情報処理や人工知能に関わる新たな技術探査や ULTIMATE-Subaru による赤外線広視野探査など開発の現場となることも期待される。の大規模な探査観測など、国際連携による広視野観測に10遠鏡でのプロトタイピング、科学実証は TMT の第二期以Subaru / TMT Science Book

本書が執筆された時点では、アメリカ合衆国・マウナ

ケアにおける TMT の現地建設作業は反対運動の影響を受け停止している状況であり、今後の状況によっては代替建設地として検討が進められてきたスペイン・ラパルマへの移行も起こりうる。地上大型望遠鏡による天文学にとって、高い晴天率、弱い大気揺らぎ、低い水蒸気量等によりマウナケアは理想的な観測条件のサイトであるが、ラパルマは北半球においてそれに次ぐサイトであると評価されている。本書で提案する研究計画はマウナケアでの TMTの建設を想定して検討されているが、ラパルマでの建設となった場合でも多くは観測条件に応じて実行することで同等に追求が可能である。また、すばる望遠鏡との科学的な連携の重要性も変わるものではない。

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