系外惑星班の中間報告	
松尾太郎 （京都大学）	

メンバー	
• 計8名 (1名は星惑星形成班とのかけもち)	  • 2名の惑星科学の出身（青）	  • 理論/観測/装置がバランス良く	  ••••••••河原創（東京大学）	  小玉貴則（東京大学）	  佐々木貴教（京都大学）	  住貴宏（大阪大学）	  成田憲保（NAOJ）	  福井暁彦（NAOJ）	  武藤恭之（工学院大） ! 星惑星形成班とのかけもち	  松尾太郎（京都大学）	

あいうえお順	会議現状	
• 5回のSkype会議	  	  	  	  	  	  3/10:	  計画書趣旨説明	  	  	  	  	  	  4/15:	  キーワード選定	  	  	  	  	  	  5/21:	  章と節の構成	  	  	  	  	  	  	  6/19:	  担当者の決定	  	  	  	  	  	  	  8/5:	  進捗の確認	  • 顔合わせ会議はなし。明日が最初のF2F。	  内容	• 太陽系外惑星の科学的意義	  	  	  	  	  	  " 2020年代の3つのサイエンステーマ	  • 章と節の構成内容	  • 各節のハイライト	  太陽系外惑星の科学的意義	

惑星の質量（木星質量）	

1995年以前の惑星系の描像	

主星からの距離（AU）	

太陽系外惑星の科学的意義	
2014年4月現在の惑星系の描像	
宇宙観への影響	
惑星の質量（木星質量）	

1つの太陽系	  ↓	1129の惑星系	  	  (1814の惑星)	

●：間接的に発見された惑星	  ●：直接観測された惑星	  主星からの距離（AU）	

太陽系外惑星の科学的意義	
2014年4月現在	

惑星の質量（木星質量）	

Hot	  Jupiter	Jupiter	Wide-­‐orbit	  planets	

非常に多様な惑星系の発見	  -­‐	  	  	  木星型惑星	  木星	-­‐ 主星極近傍のガス惑星	  土星	-­‐ 遠方のガス惑星	  -­‐ 多様な低質量惑星	  	  Low-­‐mass	  planets		  	  	  (mini-­‐Neptune,	  super-­‐Earth,	  	  	  	  	  	  	  terrestrial	  planet) 	
直接観測	

間接観測	

地球	主星からの距離（AU）	
これまでに発見された太陽系外惑星の分布	

●：間接的に発見された惑星	  ●：直接観測された惑星	  2020年代系外惑星科学の3本の柱	
1.	  太陽系を含めた多様な惑星系の起源・進化の理解	
2.	  惑星で起こる物理・化学現象の包括的な理解	
3.	  地球生命の居住可能性の理解と宇宙における生命現象の探査	

2020年代系外惑星科学の3本の柱	
1. 太陽系を含めた多様な惑星系の起源・進化の理解	  	  	  	  	  	  太陽系惑星形成論 # 汎惑星形成論	
2.	  惑星で起こる物理・化学現象の包括的な理解	  太陽系惑星科学 # 系外惑星科学	
3.	  地球生命の居住可能性の理解と宇宙における生命現象の探査	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  地球生命 # 地球生命の相対化	  （生命観の変革）	

2020年代系外惑星科学の3本の柱	
光赤外	電波	1. 太陽系を含めた多様な惑星系の起源・進化の理解	  	  	  	  	  	  太陽系惑星形成論 # 汎惑星形成論	
2.	  惑星で起こる物理・化学現象の包括的な理解	  太陽系惑星科学 # 系外惑星科学	
3.	  地球生命の居住可能性の理解と宇宙における生命現象の探査	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  地球生命 # 地球生命の相対化	  （生命観の変革）	

これらのテーマの観測的な足掛かりは欧米が築いてきた	節と章の構成案	
• 導入 (松尾)	  	  -­‐	  	  科学的意義	  -­‐	  	  2020年代までの展望	  • 惑星の形成・進化	  (テーマ1)	  -­‐	  	  形成初期の惑星の観測的研究 (武藤、松尾)	  	  	  	  	  	  	  -­‐	  	  惑星分布の統計的研究（成田、住、佐々木）	  • 系外惑星科学	  (テーマ2)	  	  	  	  	  	  	  -­‐	  	  ガス型惑星（佐々木、福井）	  	  	  	  	  	  	  -­‐	  	  岩石型惑星（河原）	  • ハビタブル惑星	  (テーマ3)	  -­‐	  	  Habitability	  (小玉)	  	  	  	  	  	  	  -­‐	  	  Biomarker	  (河原)	

テーマ1:	  惑星形成と進化	
Hayashi	  et	  al.	  1985	
円盤初期状態	 ! 電波/光赤外	+	  初期環境の多様性	
微惑星形成	  原始惑星（コア成長）	
ガス降着	

光赤外観測	  ・形成から進化を	  （1995年以降の議論）	
ひとつのピクチャ	  +	  軌道進化	  ーに！	  
（現状：断片的な	  +	  惑星進化	研究）	  岩石惑星	
巨大ガス惑星	 氷惑星	
太陽系形成論の概要（Newton	  2011年別冊）	

終状態	

テーマ1:	  惑星形成と進化	
MARLEY ET AL.

Vol. 655•	  観測から求める物理量	  ギャップ	   -­‐ 惑星と円盤が交換する角運動量	  形成	#	  Type-­‐II	  migraXon	  	  	  	  	  	  	  #	  Hot	  Jupiterの解明	  -­‐	  	  	  質量降着率	  ect detecgainst thedel planet
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光度（太陽光度）	  (~コントラスト)	

st 5MJ for

微惑星の	  合体成長	ガスの集積	  時間（Myr）	
Fig. 1.—Luminosity of a 1MJ planet as a function of time. Numbers refer tovarious stages in the formation/contraction process as discussed in the text. In thisfigure, time t ¼ 0 is chosen to be the start of the growth of the solid core. Model,
through stage 4, is the 10L1 case of Hubickyj et al. (2005). Subsequent evolution is calculated as described in x 3.

コア集積モデルに基づいた惑星光度の	  進化モデル(Marley	  et	  al.	  2007)	

モデル（左）、すばる（中央）、TMT（右）の観測予想	

2. ACCRETION
The core-accretion model describing the formation of giant planets (Mizuno 1980; Bodenheimer & Pollack 1986; Pollack et al.

武藤さんのシミュレーション	テーマ1:	  惑星形成と進化	Cold	  start	  model	  	  # コア集積？	  
•Hot	  start	  	  model	  	  # 円盤不安定？ 	
光度（太陽光度）	

観測：	  -­‐	  	  形成から1Gyrまでの惑星系を観測	  -­‐ 惑星の明るさ、温度の推定	  時間（Myr）	
Cold	  Start	  model（実線）とHot	  start	  model	  （点線）に基づいた惑星光度の進化モデル(Marlay	  et	  al.	  2007)	

初期状態に依存	テーマ1:	  惑星形成と進化	
• 惑星のアバンダンス
調査：	  -­‐	  GAIA衛星:	  アストロメトリ法	  -­‐	  WFIRST-­‐AFTA:	  マイクロレンズ	  -­‐	  地上/高分散:	  視線速度法	

惑星のアバンダンス予想	  (Ida	  &	  Lin	  2013)	

テーマ2:	  系外惑星科学	

①主星極近傍の惑星	  （②遠方の惑星）	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  $ これから	  惑星の質量（木星質量）	

●	  惑星で起こっている	  物理現象を理解するため	  の詳細なリモート観測。	  

2014年4月現在の惑星系の描像	
②	
①	

●：間接的に発見された惑星	  ●：直接観測された惑星	  主星からの距離（AU）	

43AU	
GJ504	

H-­‐band	  image	  of	  GJ504	  	  (Kuzuhara	  et	  al.	  2013）	

テーマ2:	  系外惑星科学		  Planet	  Mass（Jovian	  Mass）	

GJ504b	

Direct	  observaXon	

Indirect	  observaXon	
Distance	  from	  host	  star（AU）	
Spectroscopy	  of	  GJ504	  (Janson	  et	  al.	  2013)	

テーマ3:	  系外惑星の理解	
Spitzer	

昼側	

昼側の輻射の計測	  (i=90度の場合)	

夜側	
地上・HST	

大気の透過光分光	テーマ2:	  系外惑星科学	
(この節はまとめきれていません。)	  • 現状までに分かったこと：	  − ガス惑星	  -­‐-­‐	  ガス惑星における多様な重元素量	  -­‐-­‐	  大気分子（水、メタン）の検出	  -­‐-­‐	  雲/ヘイズの検出	  -­‐-­‐	  温度構造やC/O比の多様性	  − （生命を宿さない）岩石惑星	  	  -­‐-­‐	  マグマオーシャンの長期継続(~1000万年)	  -­‐-­‐	  岩石惑星の蒸発	  -­‐-­‐	  ミネラル大気の可能性	  青：水蒸気のみ	  橙：水蒸気＋メタン	  透過光分光の例（Swain	  et	  al.	  2008）	
Inversion	  (吸収体付加)		  NO	  Inversion	

TrES4における2次食の計測.	  (Knutson	  et	  al.	  2008)	

テーマ2:	  系外惑星科学	
(この節はまとめきれていません。)	  • 現状までに分かったこと：	  • 2020年代の解明すべき課題:	  − ガス惑星	  -­‐-­‐	  ガス惑星における多様な重元素量	   #主星の重元素量との相関、形成論への発展	  -­‐-­‐	  大気分子（水、メタン）の検出	  -­‐-­‐	  温度構造やC/O比の多様性	  # 主星と併せた木星型惑星の理解	-­‐-­‐	  大気の運動 	  -­‐-­‐	  雲/ヘイズの検出	  #雲/ヘイズの生成条件、主星との関係	  − 岩石惑星	  	  -­‐-­‐	  マグマオーシャンの長期継続	  #	  マグマオーシャンの直接検出	  (~1000万年)	  -­‐-­‐	  岩石惑星の蒸発	  #	  岩石惑星のトランジット分光による岩石の	  
組成や内部情報	  	  	  	  	  	  	  -­‐-­‐	  ミネラル大気の可能性	  恒星質量（太陽質量）	

テーマ3:	  ハビタビリティの理解	
CO2の凝縮	  暴走温室	 (凍結)	

1	

• 主星から受け取るFluxに基づいて、地球をベースに液体の水が表層に存在する「理論的領域」を計算。
全球の平均的な気候の再現。	  
• 系外惑星系の多様性：	  − 惑星質量、大気、自転速度、潮汐ロック、恒星活動	  0.1	
0.1	1	
軌道長半径（AU）	

系外惑星と恒星質量を関数とした	  ハビタブルゾーン（KasXng	  et	  al.	  1993;	  Kopparapu	  et	  al.	  2013）	

• 今後の発展：	  − 「点」ではなく、「空間的な天体」として捉える。	  
− 3次元的な大気循環	  水の輸送	  (例、Leconte	  et	  al.	  
2013)	  テーマ3:	  ハビタビリティの理解	
中心波長(µm)	 波長範囲(µm)	
H2O	 6.2	

5.7-­‐8.0	

CH4	 7.7	

6.3-­‐8.3	

CO2	 15.0	

13.5-­‐16	NH3	 10.5	

9.3-­‐11	O3	

9.3-­‐9.8	

測光分光の要求精度	

9.6	

• 観測的アプローチ：	  海洋の検出（直接的な検証）	  	  	  − Glintの検出（Segan	  et	  al.	  1993）	  	  	  	  − 水蒸気量の変動 (Fujii	  et	  al.	  2013)	  	  	  # 可視光での直接観測・高精度測光	  水蒸気・温室効果ガスの検出	  − トランジット系の分光	  − スペースからの直接観測	  	  	  	  − 地上での高分散分光 	  惑星半径	テーマ3:宇宙における生命の探査	• 宇宙における生命	  	  # 地球生命を想定。	  
• 生命探査 " 酸素発生型光合成（高効率な酸素発生機構）の探査	  	  	  	  	  	  (非生物的には、酸素蓄積が困難。)	  太陽光	酸素	  エネルギー（糖）	
液体の水	
酸素分率
(現在比)

Canfield 05 Ann Rev Earth Sci

0.1%未満	  植物上陸

億年前
酸素

現	  在	

恒星質量（太陽質量）	

テーマ3:宇宙における生命の探査	
CO2の凝縮	  暴走温室	 (凍結)	

1	

スペース	

0.1	

地上	
0.1	

1	
軌道長半径（AU）	

• 手法：	  − スペース/地上での直接観測による低分散分光	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  (TPF,	  Darwin,	  TMT)	  − 地上からの高分散分光	  （Snellen	  et	  al.	  2013）	  	   − スペースからのトランジット
分光	  (要検討)	  • False	  posiXveの検討：	  	  −	  生命が存在しない環境下でも高効率な酸素発生機構の可能性（e.g.,	  Wordsworth+	  2014）	  まとめ：2020年代の系外惑星研究	  において鍵となる望遠鏡/装置	
(注意：チーム内で議論が出来ていない)	

テーマ1.	  太陽系を含めた多様な惑星系の起源・進化の理解	
テーマ2.	  惑星で起こる物理・化学現象の包括的な理解	
テーマ3.	  地球生命の居住可能性の理解と宇宙における生命現象	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  の探査	
青：スペース、赤：地上	望遠鏡/装置	

予想される主要な科学テーマ	

超高精度トランジット分光	

テーマ2、テーマ3	

超高コントラスト(~1010)	

テーマ3	

超高解像/高コントラスト	  (~108-­‐9)	

テーマ1、テーマ3	

超高解像/高分散分光	  (R~10万)	  	テーマ2、テーマ3	

中口径/広帯域トランジット測光分光	  	   テーマ2