多色トランジット観測で迫る	  系外惑星の大気	
福井暁彦	  国立天文台・岡山天体物理観測所	  	  共同研究者	  （PEaCH・観測）成田憲保、平野照幸、鬼塚昌宏、川内紀代恵、	  馬場はるか、笠嗣瑠	  （PEaCH・理論）川島由依、生駒大洋、堀安範、黒崎健二	  （論文共著者）板由房、小野里宏樹、西山正吾、永山貴宏、	  田村元秀、河合誠之、黒田大介、長山省吾、	  太田耕司、清水康弘、柳澤顕史、吉田道利、泉浦秀行	  2014年10月11日	
第34回望遠鏡技術検討会@キャンパスプラザ京都	  目次	
• 系外惑星研究の動向と大気の透過光観測	  • 観測成果紹介	  – I:	  スーパーアースGJ1214b	  – II:	  灼熱天王星GJ3470b	  – III:	  ウォームジュピターWASP-­‐80b	  • 新多色撮像カメラMuSCATと将来計画	

系外惑星研究の動向と	  大気の透過光観測	  系外惑星発見数の推移	

700個の惑星を一気に確認	

太陽型星周りで	  初の系外惑星発見	

Kepler衛星打ち上げ	Kepler衛星が発見した惑星と惑星候補の分布	

スーパーアース・	  ホットネプチューン	

木星	
海王星	
地球	

From	  discovery	  to	  characterizaJon	

詳細観測	発見	
これまでのサーベイ	

これからのサーベイ	

将来の大型計画	• 地上サーベイ	  • K2	  (2014-­‐)	  • TESS	  (2017-­‐)	  • PLATO	  (2022-­‐)	  • JWST	  (2018-­‐)	  • TMT	  (2023-­‐)	  • SPICA	  (2025-­‐)	  Ø ホットジュピター	  • Corot,	  Kepler	  Ø 数千個の地球〜海王星型惑星	  Ø ただし遠方	  Ø 近傍の惑星系	  Ø 詳細観測可	  TESS	Kepler	©NASA	

©MIT	Ø 惑星大気の観測	  TMT	©NAOJ	

トランジット惑星の大気透過光観測	
惑星大気	恒星	観測者	惑星(無透過部分)	
1.002• 惑星大気科学	  • 惑星形成論	  • ハビタビリティ	

10.998Relative flux

トランジットの減光率（見かけの惑星の半径）の波長依存性から、大気組成を決定可能	0.996

長波長	0.994
0.992
0.99

短波長	-0.04

-0.02

0Time

0.020.04

ホットジュピターの大気成分の検出例	
• 可視域：アルカリ金属（Na,	  K）、水素分子によるレイリー散乱	  • 近赤外域：水やメタン、COなどの分子	  近赤外域	  可視域	  Rayleigh	  scaWering	  by	  H2	HD209458b	

Na	
Lecavelier	  des	  Etangs+	  2008	

H2O	
Deming+	  2013	• 高分散分光	  – Na,	  Kなどの金属元素の検出	  – 大口径望遠鏡が必要	  Planetary	  radius	

大気透過光観測の3つのアプローチ	
0.018
0.0175Na	0.017
0.01650.016

Rayleigh	  scaWering	  by	  H2	K	

CH4	HO	H2O	 2H2O	  H2O	0.0155• 低分散分光	  – 狭い波長域でのスペクトルの傾向	  ⇒ 分子の検出、大気の主成分、	  雲やヘイズの有無	  – 中〜大口径望遠鏡が必要	  H2O	0.0150.0145• 多色バンド測光	  – 広い波長域でのスペクトルの傾向	  ⇒ 大気の主成分、雲やヘイズの有無	  – 小〜中口径望遠鏡でも可能	  – 豊富な観測時間	

1Wavelength	  [μm]	

CH4	CO	観測成果I：	  スーパーアースGJ1214b	低質量惑星の質量-­‐半径分布	
Lissauer	  et	  al.	  2013,	  ApJ	

トランジット惑星	

GJ3470b	

GJ1214b	55	  Cnc	  e	CoRoT-­‐7b	

•	  減光率	  →	  惑星の半径	  •	  視線速度	  →	  惑星の質量	  •	  半径と質量だけでは、内部組成を一意に決められない。	  
•	  主成分:	  岩石、水、ガス(H/He)	  内部組成の推定が可能	 惑星の大気組成の調査が重要	  低質量惑星の大気観測	•	  	  通常、低質量惑星（スーパーアース・ネプチューンズ）に対する大気透過光観測は困難	  •	  主星が太陽型星の場合、減光率が極めて小さい（0.1%以下）	  •	  	  観測に必要な条件	  -­‐

M型星： 主星が小さい	  ⇒	  減光率大	  -­‐

太陽系近傍： 主星が明るい	  ⇒	  高精度観測	  太陽型星	
M型星	
惑星	

•	  	  太陽系近傍(<30pc)のM型星まわりの低質量トランジット惑星(<30MEarth)	  は現在3個のみ	  	  •	  GJ1214b	  (6.6MEarth),	  GJ3470b	  (14MEarth),	  GJ436b（23MEarth）	  スーパーアースGJ1214b	
•	  GJ1214b	  -­‐-­‐

2009年に発見 (Charbonneau+	  2009,	  Nature)	  地上から大気の観測が可能な初のトラン
ジット・スーパーアース	  	  •	  スペクトルがフラットになる事が次々報告	  -­‐ 水蒸気大気	  or	  雲？	  
-­‐ 近赤外と可視短波長域で議論の余地。	
H2-­‐rich	  +	  Solar-­‐Metallicity	
H2-­‐rich	  +	  sub-­‐Solar	  +	  cloud	
H2O-­‐rich	

惑星質量	 6.6	  MEarth	
惑星半径	 2.6	  REarth	
軌道周期	 1.6日	
主星半径	 0.2	  Rsun	
距離	
13pc	
水素大気	

Rp/Rs	

水蒸気大気	

水素大気+雲	
0.5	

2	1	Wavelength	  [μm]	
de	  Mooij	  et	  al.	  2011	

IRSF及びすばる望遠鏡による観測		  1.4m	  IRSF望遠鏡を用いた近赤外観測	  8.2m	  すばる望遠鏡を用いたBバンド観測	

2012年8月12日	  w/	  Suprime-­‐cam	

2012年6月14日	

J	B	H	
2012年10月8日	  w/	  FOCAS	

Ks	B	

IRSF及びすばる望遠鏡による観測	Narita+	  2013b	

近赤外域と可視短波長域でフラットと一致することを確認。	

観測成果II：	  灼熱天王星GJ3470b	灼熱天王星GJ3470b	
• 近傍のM型星をまわる３例目のトランジット惑星	  – 2012年7月に発見 (Bonﬁls+	  2012)	  – GJ1214bに次いで低質量	  – 質量が天王星とほぼ同じ	  大気の観測が可能な低質量惑星として貴重なサンプル	

惑星質量	 14	  MEarth	
惑星半径	 4.3	  REarth	
軌道周期	 3.3日	
主星半径	 0.5	  Rsun	
距離	30pc	
●	  M型星	  丸の面積	  ∝	  (Rp/Rs)2	 ●	  F,	  G,	  K型星	

岡山の2台の望遠鏡を用いた多色トランジット観測	

主星の明るさ188cm望遠鏡/ISLE	50cm	  MITSuME	

時刻 [時間]GJ3470bのトランジット・スペクトル	
ヘイズによるレイリー散乱 	CO	  	5.9	  ±	  2.0	  %	3.0	  ±	  1.2	  %	Fukui+	  2013,	  ApJ,770,95	

波長ごとに惑星半径が異なる結果	  •	  水素主体の大気にヘイズを含む大気モデルで説明可	  •	  晴れた大気を持つ可能性 ⇒	  雲に邪魔されず様々な分子を特定可	

観測成果III:	  ウォームジュピターWASP-­‐80b	惑星質量	 0.55	  MJup	WASP-­‐80b	

惑星半径	 0.95	  RJup	• 近傍のK/M型星を周るトランジット巨大惑星	   軌道周期	 3.1日	
主星半径	 0.6	  Rsun	
– 2013年に発見	  (Triaud+	  2013)	  – 理論的、観測的に稀少	  距離	60pc	
• 平衡温度が800K以下の「ウォームジュピター」	  – ホットジュピターの平衡温度は1,000K以上	  惑星の平衡温度	  [K]		  • 大気中にヘイズが漂っている可能性	  	  -­‐	  ソリン（炭化水素高分子）と呼ばれるヘイズは約1,000K以下で生成	  	丸の面積	  ∝	  減光率	主星の温度	  [K]	– 大気が観測された巨大惑星の中で最も低温	  公転周期	  [日]	

岡山およびIRSFにおける観測	

188cm	  &	  50cm	  @OAO	
• 188cm/ISLE	  @OAO	  1.4m	  IRSF	  @SAAO	– 近赤外1バンド（J,	  H,	  or	  Ks）	  – 2回のトランジットを観測（Jバンド）	  • 50cm	  MITSuME	  @OAO	  • 1.4m	  IRSF/SIRIUS	  @SAAO	  – 近赤外3バンド（J,	  H,	  Ks）同時撮像	  – 3回のトランジットを観測	  – 可視3バンド（g’,	  Rc,	  Ic）同時撮像	  – 188cm/ISLEと同時に使用して、2回のトランジットを観測	  IRSFで得られたトランジット光度曲線	
2013	  Jul.	  16	2013	  Aug.	  22	• 積分時間：10秒（7/16,	  10/7） or	  15秒（8/22）	  • 測光精度：0.15%（H）、0.20%（J,	  Ks）	  2013	  Oct.	  7	

岡山観測所で得られたトランジット光度曲線	
2013	  Aug.	  13	2013	  Sep.	  22	50cm	  MITSuME	
50cm	  MITSuME	
50cm	  MITSuME	
188cm/ISLE	• 露光時間：45秒（ISLE）	  or	  30秒（MITSuME）	  • 測光精度：0.86%（g’）、0.42%（Rc）、0.40%（Ic）、0.16%（J）	  WASP-­‐80bのトランジット・スペクトル	

Fukui	  et	  al.	  2014,	  ApJ,	  790,	  108	  結果	• 晴れた太陽組成モデル、厚い雲モデルとも、1.7σのずれ⇒	  棄却できず	  可視	近赤外	

一方、	• 可視域	  (λ<1μm)	  の惑星半径が近赤外域に比べて平均的に約1%大きい（2.9σ）	  – 可視域で大気が不透明⇒ヘイズが存在している可能性	  • ヘイズモデルと良い一致（1.0σ）	  – 太陽組成大気にヘイズ（タイタンに存在するソリンを仮定）を追加した理論モデルを作成	  • もしソリンであれば、理論的な予測と一致	  – 今後、すばる望遠鏡などを用いた詳細観測が必要	  新多色撮像カメラMuSCATと将来計画	

現在の問題点と新多色広視野カメラの必要性	
• 可視観測の高精度化が必要	  – 口径50cmのMITSuME望遠鏡では力不足	  • 近赤外観測の多色化、広視野化が必要	  – 188cm/ISLEは多色同時撮像不可、かつ視野が不十分（Φ=5.9’）	  – IRSFは3色同時観測可能かつ比較的広視野（Φ=10’）だが、可視と同時観測が不可、かつ南天の天体に限られる	  

北半球に中口径望遠鏡+	  可視近赤外同時多色広視野カメラが必要	

新多色撮像カメラ「MuSCAT」	
• MuSCAT	  – 装置PI:	  成田憲保氏（国立天文台） 	  – 目標：最大6色（可視3色、近赤外3色）かつ広視野（Φ=15.5’）	  – まずは可視3色（g,r,z）かつ中視野（Φ=8.4’）のカメラを製作開始（科研費基盤A、代表：成田氏、平成25年〜）	  – 188cm望遠鏡に搭載	  – 2014年末〜2015年初頭にファーストライト予定	  MuSCATで狙うサイエンス	• 今後、近傍のM型星まわりの低質量トランジット惑星の数が飛躍的に増加（現在:3個⇒5年後:〜1,000個）	  – K2（2014〜)	  – TESS	  (2017〜）	  K2のサーベイ領域	

全天サーベイ衛星TESS		  • MuSCATを用いて多数の低質量惑星の大気を調査	  – 低質量惑星大気の大まかな特性を統計的に理解	  • 大気の主成分	  • 雲やヘイズの存在条件	  – 大口径望遠鏡では出来ないサイエンス	  MuSCATの将来計画	
• 装置アップグレード	  – 1k	  ×	  1k	  CCD	  （視野Φ=8.4’）⇒	  2k	  ×	  2k	  CCD	  （視野Φ=15.5’）	  – 近赤外チャンネルの増設	  • 搭載望遠鏡	  – 出来るだけ豊富な観測時間が得られる解を模索中	  当面	将来	

188cm望遠鏡	

188cm望遠鏡	

共同利用時間、あるいは	  RVサーベイと二分	3.8m望遠鏡	

より豊富な時間が	  得られる場合	

共同利用時間	

新1.5m望遠鏡	 専用望遠鏡を新設	  まとめ	• 多色トランジット観測による系外惑星の大気を調べる研
究を進めている	  – スーパーアースGJ1214b:	  近赤外JHKs,	  可視Bバンドでフラットスペクトルになることを確認。	  
– 灼熱海王星GJ3470b:	  厚い雲の無い、晴れた大気をもつ可能性を発見	  – ウォームジュピターWASP-­‐80b:	  大気中にヘイズが存在する可能性を発見	  • 新多色撮像カメラMuSCATを開発中	  – まずは可視3バンド、中視野（Φ=8.4’）で製作開始	  – 可視広視野化および赤外チャンネルのアップグレードを計画中	  – 多数の低質量惑星大気の観測に向け、出来るだけ観測時間が得られる望遠鏡への搭載を検討中。