Major Objective [3]

惑星系形成過程の総合理解

-Thorough Understanding of Planetary System Formation-

SPICA

惑星系形成過程の総合理解

-Thorough Understanding of Planetary System Formation 分子雲 重力収縮による星の誕生 固体成分の沈殿・成長、集積 ガス成分の散逸 惑星系 星と原始惑星系円盤

惑星系形成のパラダイム

原始惑星系円盤 （ガスと塵の集まり） 太陽系外の惑星系や原始惑星系円盤に、 生命の源である水や有機物質はどのように分布するのか？ 塵の集積がどう起きて惑星へと成長するのか？ ガスの散逸はどうやって起きるのか？ 塵が赤道面に集積(？) 太陽系外にどのような惑星系が存在するのか？ われわれの太陽系は普遍的な存在なのか？ 地球型惑星の誕生(？) ガスをまとって 木星型巨大惑星に(？) 惑星系

Open Questions

Protoplanetary disk with gas and dust

What are the distributions of gas, dust, woter ice and organic materals: i.e., ingredients of planets & life?

Dust settling (?)

How do the accumulation of dust and planetesimals occur?

What is the role of gas for the formation of planets?

Fomation of cores(?) Gaseous accretion (?)

What are the poplulation and diversity of exoplanetary systems?

Are planetary systems like our solar system common or unique?

Planetary systems (?)

• •

Planetary Systems ： Objective #1

科学目的 – Objective – 惑星系の多様性解明のため、太陽系外惑星の直接検出と惑星大気組成の観 測を、最も観測的に有利な波長である赤外線領域において挑戦する。 • To understand the diversity of the planetary systems, we will attempt to directly detect exoplanets and to measure their atmospheric composition in the infrared wavelengths.

科学目標 Target 主星：惑星のコントラスト比１０ を解明する。 • －６ 以上の観測を実現することにより、系外木星 型惑星を直接に検出すると同時に、分光観測によりその大気の組成を明らか にする。これを我々の太陽系の惑星系と比較することにより、惑星系の多様性 With the planet/star contrast ratio of 10 planetary systems.

-6 or better, we will directly detect gas exoplanets, and perform their spectroscopic observations to clarify the composition of the atmosphere. Comparison with the results on our Solar System planets enables us to reveal the diversity of the – トランジット法を利用した分光観測により、巨大地球型惑星の大気検出を試み る。木星型惑星については、多数の赤外分子バンドの観測を通し大気組成を 詳細に調べる。 • With the spectroscopic observations utilizing the transit method, we will try to detect the atmosphere of giant earth-like planets. We will also apply the same approach to gas giant planets for detailed studies of their atmosphere.

中間赤外コロナグラフ SCI

中間赤外線中分散分光装置 MIRMES 中間赤外線高分散分光装置 MIRHES

•

太陽系外惑星を赤外線の目で はっきりと見つける 太陽系外惑星の直接検出とその大気組成観測

– 中間赤外コロナグラフ観測装置（撮像＋分光）

Planetary Systems ： Objective #2

• • 科学目的 –

Objective

原始惑星系円盤のガスの散逸過程および散逸時間スケールを 観測し、木星型惑星の形成メカニズム、および地球型惑星の生 成条件を明らかにする。 • We reveal the formation mechanism of gas giant planets and initial condition of terrestrial planet formation, by observing the process and timescale of dispersing gas in protoplanetary disks 科学目標

Target

– 原始惑星系円盤中のガス、特に主成分である水素分子ガスを赤 外線高感度観測により検出し、残存ガスの量を求め、主星の質 量や年齢との相関を解明する。 • With sensitive infrared spectroscopic observations, the relation of gas mass with the age of primary stars.

we will measure the gas in proto-planetary disks, especially molecular hydrogens, and resolve 中間赤外線中分散分光装置 MIRMES 中間赤外線高分散分光装置 MIRHES 遠赤外線分光撮像装置 SAFARI

•

水素分子輝線で見る円盤ガス成分の 進化

ガス成分を直接トレース する水素分子輝線で、ガ ス円盤の温度・質量・サイ ズを求める – – 中間赤外線分光装置による観測 地球質量の千分の一までの水素 分子質量をトレース – 他の分子ガスは遠赤外線分光で も観測 Sako et al. 06 • 円盤ガス成分の進化を解明し、 惑星誕生のシナリオを完成さ せる

Planetary Systems ： Objective #3

• • 科学目的 –

Objective

われわれの太陽系と同様の空間スケールで、惑星系形 成により原始惑星系円盤がどのように進化していくかを 解明する。 • We will reveal the evolution of planet forming regions in protoplanetary disks at a spatial scale comparable to our Solar system.

科学目標

Target

– 原始惑星系円盤の高分散赤外線分光観測により、ガス のさまざまな速度成分の輝線強度比を求め、それに基づ き円盤の空間構造、物理状態、化学組成の分布を明らか にする。 • We will elucidate the geometric, physical and chemical structure of proto-planetary disks by measuring the motion of gas with high dispersion infrared spectroscopy.

中間赤外線高分散分光装置 MIRHES

ガスの運動から円盤構造をとらえる Revealing the Disk Structure through the Gas Motion

• ガスの運動から、円盤の 幾何構造や化学組成の分布を 探る – 中間赤外高分散分光装置 (fundamental) (overtone)

Planetary Systems ： Objective #4

• •

科学目的 Objective

– 多数の主系列星周りの塵円盤の観測により、惑星系の普遍 性および多様性を理解する。 • We reveal the similarity or diversity of extrasolar systems by observing a number of debris disks, which are much more easily observable than exoplanets.

科学目標 Target

– 「あかり」よりも３倍以上良い空間分解能と１０倍以上すぐれた 感度により、太陽系と同程度の塵しかない円盤まで検出し、惑 星系と塵円盤と相互関係を解明する。 • With the help of 3 times or more higher spatial resolution and 10 times or more higher sensitivity than AKARI, we will detect a number of disks whose amount of dust of even comparable to our solar system, leading us to understand relationship with planetary systems observed using the other methods.

中間赤外線撮像装置 MIRACLE

中間赤外コロナグラフ

遠赤外線分光撮像装置

SCI

SAFARI

主系列星の塵円盤の調査

Dust Disks around the Main-Sequence Stars

・SPICAの高感度赤外線観測で、あかりやスピッツァーが検出したものより、 約10倍の距離にある恒星のまわりの塵円盤を多数検出できる。

Planetary Systems ： Objective #5

• • 科学目的 – 惑星系形成過程における氷の役割と、生命の起源につながる固体物 質の供給仮定を解明する。 • We will reveal the role of ice for planet formation, and how the elements for originating and sustaining life could be supplied to terrestrial protoplanets.

科学目標 Target – コロナグラフを用いて原始惑星系円盤および主系列星の塵円盤の高 感度観測を行い、その進化的関係を明らかにする。 • We will apply high-contrast IR corpnagraphy to protoplanetary disks and debris disks, observe their structures, and understand their relationship for disk evolution.

– Objective 主系列星の塵円盤を、「あかり」よりも３倍以上良い空間分解能で赤外 線分光観測し、固体物質、特に氷および微小惑星帯の分布や物理状 態を明らかにする。 • Through infrared spectroscopic observations with 3 times or higher spatial resolution than AKARI, We will reveal distribution and physical state of solid materials, particularly ice, in proto-planetary disks and dust disks in the main-sequence stars.

中間赤外コロナグラフ SCI

中間赤外線撮像装置 MIRACLE 遠赤外線分光撮像装置 SAFARI

塵円盤の固体物質

• 氷（惑星材料＆生命をもたらす水）の分布と物理状態 – 中間・遠赤外線撮像分光装置による観測 The CSO SHARCII 350um image of Vega (Marsh et al.) with SAFARI pixel scale at 43-62um overlaid. Spatial resolution equivalent to ~23 AU will be enough for observing the snow-line predicted at 42 AU.

ISO spectrum of dust and ice features associated with a young cirurumcstellar disk in HD 141517 (Malfeit et al. 1999)

Planetary Systems ： Objective #6

• • 科学目的

Objective

– 我々の太陽系の姿を明確にし、探査機による太陽系天体の観測結果と 天文学的手法による惑星系観測結果を結ぶ為、太陽系内の始原天体の 物理的情報を太陽系外縁部まで調査する。 – In order to reveal the whole picture of the solar system, we will survey physical information for primordial objects in the solar system.

科学目標

Target

– 「あかり」よりも 10 倍以上すぐれた感度により、太陽系内始原天体のアル ベド・サイズ・熱慣性・組成を太陽系外縁部まで調査する。 – With the help of 10 times or more higher sensitivity than AKARI, we will make an unprecedented survey of albedo, size, thermal inertia, and surface composition for primitive objects in the solar system.

遠赤外線分光撮像装置 SAFARI 中間赤外線撮像・低分散分光装置 MIRACLE 中間赤外線高分散分光装置 MIRHES

 

太陽系小天体の探査

Survey of Our Solar System

Establishment of comprehensive catalogue of albedo, size, and thermal inertia for primitive objects in the solar system (SSOs);  near-Earth objects, main-belt asteroids, Jovian Trojans, Centaurs, Trans Neptunian objects, comets (photometry with MIRACLE & SAFARI) SAFARI/SPICA will detect most discovered outer SSOs (and the SSOs which will be discovered in the future) by photometric-mode and half of discovered outer SSOs by spectroscopy.

12µm 20µm 26µm 32µm 42µm 48µm 85µm 160µm Outer SSOs V=24.5mag, pv=0.04

Systematic search of surface materaial for SSOs (spectroscopy with MIRHES & SAFARI)  Determination of size distribution of NEAs, MBAs (>0.1km in diameter), Jovian Trojans (>0.3km), and TNOs (>30km)  Study of correlation among the physical and dynamical properties for SSOs 1000 100 10 1

Photometry Obs date: 20200101 pv=0.1, ILM

0.1

Det Num: 815/842 (97% ) Orbit data: MPCORB.DAT in 20080917

1 10

heliocentric distance [AU]

100

 •

太陽系始原天体の探査

Survey of Our Solar System

始原天体の熱輻射観測によるアルベド・サ イズ・熱慣性の決定 – 中間・遠赤外線による測光観測 – 衛星・近地球型小惑星・メインベルト小 惑星・木星トロヤ群・太陽系外縁部天 体・短周期彗星・長周期彗星のアルベ ド・サイズ・熱慣性 – 各始原天体をグループ分けし、太陽系 形成・進化に関連する物理的情報を統 計的に調べる 1000 100 10 12µm 20µm 26µm 32µm 42µm

Photometry Obs date: 20200101 pv=0.1, ILM

1 分光観測による組成探査 – – 中間・遠赤外線による分光観測 彗星の揮発性成分探査 48µm 85µm 160µm Outer SSOs V=24.5mag, pv=0.04

0.1

Det Num: 815/842 (97% ) Orbit data: MPCORB.DAT in 20080917

1 10

heliocentric distance [AU]

100 SPICA は、現在までに発見されている殆ど全ての外縁天体の測光観測と、約 半分の天体の分光観測が可能。また将来 HSC/SubaruPan-STARRS ・ LSST で発見されうる太陽系内小天体についても殆どの測光観測が可能である

太陽系外縁部の探査

Survey of Outer Solar System

太陽系外縁天体（ 外線観測が重要。 TNO ）の SPICA SED 例。 であれば、 TNO のサイズとアルベドを決めるには、遠赤 60AU でも観測可能な天体がある 太陽系外縁天体のサイズ（直径）に対する累積 ヒストグラム（ Davis, Farinella 1997 を基に計算）。