スーパーアース GJ1214b の近赤外 3 色同時トランジット観測とその惑星大気組成

成田憲保、永山貴宏、末永拓也、福井暁彦生駒大洋、中島康、西山正吾、田村元秀 1

目次

• 透過光分光の原理と理論的予言

• スーパーアース探査の現状

• スーパーアース GJ1214b の観測結果

• 今後の展望

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トランジット惑星の大気の観測

トランジットの減光の深さは惑星大気の組成を反映して、

波長 (吸収線や観測バンド )ごとに異なる

トランジットを利用した透過光分光・測光観測

惑星大気組成によるトランジット深さの違い

4Miller-Ricci & Fortney (2010) より作成

スーパーアースとは

• 正式な定義 (IAU などで認められた ) はまだない

• 質量とサイズで地球と天王星・海王星の中間にある「太陽系には存在しないタイプの惑星」– 質量： 1-15 地球質量程度

– 半径： 1-4 地球半径程度

• 必ずしも地球型 (= 岩石 ) 惑星ではない– いろいろな内部構造・大気組成の可能性が縮退してい

る

– その場で形成されるのか、移動して来たのかもまだ不明

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質量・半径が確認されたスーパーアース• 1-15 地球質量で

1-4 地球半径の惑星は 10 個程度

いくつかの惑星の内部構造・大気組成のモデルが縮退している

縮退を解くには、大気組成を別の方法で決める必要がある

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Courtesy of M. Ikoma

惑星大気の観測に好ましいターゲット

• トランジットの深さ (Rp/Rs) が大きいもの

– 波長ごとの変化が見えやすいため

– スーパーアースを狙うなら、主星が小さい M 型星が良い

• 主星が明るいもの

– それだけ Rp/Rs を決定する精度が高くなる

– 太陽系近傍の主星が良い

太陽系近傍の M 型星が狙い目 7

最初の大気観測ターゲット： GJ1214b

• MEarth によって初めて発見された、低温度星 (M4.5V) のまわり

をトランジットするスーパーアース (Charbonneau et al. 2009)

• 惑星半径： ~2.7REarth, 惑星質量： ~6.55MEarth, 公転周期： ~1.58 日

• 主星が ~0.2RSun 程度と小さいため、スーパーアースでも ~1.5% の

減光を起こす

• 太陽系近傍の 13pc の距離にあり、 V=14.67, J=9.75, H=9.09,

Ks=8.78 と近赤外で明るい

• 大気組成を調べることができる初めてのスーパーアース

先行研究の観測結果

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de Mooij et al. (2012)

これまでの観測から、ほぼ水蒸気の大気 (青線 )か、金属量が低くメタンが欠乏した水素大気 (赤線 )かにモデルが絞

られた

IRSF1.4m 望遠鏡での近赤外 3 色同時観測

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• IRSF は南アフリカ・サザーランドにある 1.4m 望遠鏡

• 近赤外の 3 色 (JHKs バンド ) 同時撮像カメラSIRIUS が搭載されている

• 2011 年 8 月 14 日前半夜に GJ1214b のトランジットを観測

• 近赤外 3 色同時トランジット観測は世界初

我々の観測結果 @IRSF

GJ1214b の JHKs バンドで 0.124,0.125,0.155% の測光精度を達成

(Narita et al. 2013, PASJ in press)

我々の観測結果 @IRSF

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Ksバンドでは深いトランジットは確認されず、水蒸気大気を支持

(Narita et al. 2013, PASJ in press)

我々の観測結果 @ すばる

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すばる Suprime-Cam の Bバンド観測で 0.078%の測光精度を達成

0.44μmで水素の強いレイリー散乱を否定し、水蒸気大気を支持

(Narita et al., in prep.)

GJ1214b に関する推論

• これまでの観測結果からもっともらしい大気モデルは水蒸気が主成分 ( ただし、他の議論も残されている )

• GJ1214b は周期 1.58 日なので、惑星がその場形成されたとすると水を獲得できない– 外側から移動してきた (migration) ？

– 後から獲得した ( 彗星 ) ？

• どうやって移動してきたのかはまだ不明– Type-1 移動？　他の惑星による散乱？ 14

今後の展望

• これまではまだ惑星大気の観測までできるスーパーアースは発見数が少なかった– GJ1214b の他はつい最近発見された GJ3470b くらい

• 現在進行中のトランジットサーベイ計画でより多くのスーパーアースの発見が期待されている

• これからスーパーアースの内部構造や大気組成の普遍性・多様性という新しい研究分野が拓ける– スーパーアースの大気組成から低質量惑星の移動への観測的制限

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補足資料

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スーパーアースの発見法

• 視線速度測定の高精度化– 特に明るい低質量 (M 型 ) 星で発見されるようになっ

てきた

– GJ581, GJ667C などにはハビタブル惑星候補も

• トランジット観測の高精度化– 特に宇宙望遠鏡によるサーベイ

– ESA の CoRoT が発見した CoRoT-7

– NASA の Kepler で多数の発見17

Kepler の観測からわかったこと

18(太陽型星では )スーパーアースの存在頻度はかなり高い

Howard et al. (2012)

視線速度の観測からわかったこと

• Bonfils et al. (2011) による HARPS サーベイの結果、特に M 型星ではスーパーアースの頻度が高い– P = 1-10days : f=0.36 (+0.25, -0.10)

– P = 10-100days : f=0.35 (+0.45, -0.11)

• 太陽系には存在しなくても、スーパーアースは宇宙ではありふれた存在

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<1.25 RE

Kepler が最初の 4 か月で発見した惑星候補

地球サイズ

スーパーアース海王星サイズ木星サイズ

1235個の惑星候補の発見

2011 年 12 月に発表された候補

2326個の惑星候補の発見