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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
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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
トランジットを利用した透過光分光・測光観測
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
惑星大気組成によるトランジット深さの違い
100% water vapor atmosphere
100% hydrogen atmosphere
Miller-Ricci & Fortney (2010)より作成
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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
Courtesy of M. Ikoma
 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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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
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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
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
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IRSF1.4m望遠鏡での近赤外3色同時観測
• 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
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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
Bean+ 2011
de Mooij+ 2012
Berta+ 2012
Desert 2011
Croll+ 2011
this work
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)
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我々の観測結果@すばる
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.)
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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？
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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
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Keplerの観測からわかったこと
Howard et al. (2012)
(太陽型星では)スーパーアースの存在頻度はかなり高い
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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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Keplerが最初の4か月で発見した惑星候補
地球サイズ
<1.25 RE
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