すばる FMOS での系外惑星大気観測

成田 憲保

目次• 系外惑星大気の観測方法• 最近の観測例• すばる FMOS での観測計画• 将来の目標

トランジット惑星で大気を観測する

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transit

secondary eclipse

Knutson et al. (2007)

transit

secondary eclipse

IRAC 8μm

惑星が前とうしろを通過している時のスペクトルを調べる

Spitzer IRAC 8μm

トランジット惑星の大気吸収探索主星

惑星および外層大気

主星元素の吸収線

主星の光

惑星由来の追加吸収

惑星の昼と夜の境目の部分を透過した光を分光し惑星大気による吸収を調べることができる

追加吸収の強さ• 惑星による吸収が起こるのは惑星の外層大気の opacity

が小さい円環部分• 追加吸収量はおおざっぱに ～ 2πRpH / πRs

2 T∝ p / μ ρp Rs2

– H : 大気のスケールハイト、 Tp : 惑星の温度– μ : 大気の分子量、 ρp : 惑星の密度、 Rs : 主星の半径

• 好ましいターゲット– 温度が高く、密度が低い惑星– 主星は小さい方が有利（特に M 型星）

惑星の温度大気の分子量・惑星の密度・主星の半径２

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理論的予言

2009/7/28

特に可視領域のナトリウム線や赤外の分子吸収バンドで強い追加吸収が予想されていた

Seager & Sasselov (2000) Brown (2001)

-1.71% (peak)

-1.53% (base)

-1.47% (base)

-1.70% (peak)

雲がないホットジュピターに対する透過光モデル

観測による検出例実際にホットジュピターでは大気が検出されてきている

欧米の系外惑星大気観測計画• GTC10m 望遠鏡では 2010 年から 200hr の大規模観測 (PI. Sing)

– GTC/OSIRIS による広視野ナローバンドフィルター観測– ナトリウムとカリウムがターゲット

• VLT8m 望遠鏡では 2010 年から 200hr の大規模観測 (PI. Snellen)

– VLT/CRIRES による近赤外高分散分光観測– CO などの分子がターゲット

• 複数のアメリカグループ– PI. Knutson, Desert, Bean など、特に secondary eclipse 狙い

• Spitzer による GJ1214b の 20 日間連続観測 (PI. Deming)

• 日本はまだ目立った成果をあげられていない

Subaru/FMOS

• FMOS = 近赤外広視野多天体分光器• FoV = 30’ diameter circular ( 大型望遠鏡で最大の視野 )

• ファイバー 200 本の分光器が 2 台– マルチスリット分光よりフォトンロスが少ない– 特に読み出し時間の短い IRS2 が有用

• JH バンドの同時観測が可能– Spitzer がカバーしていない波長領域

• 潜在的に JH バンドで世界最高精度が出せる観測装置

ターゲット選定方法• 同時に多数の参照星を観測できる惑星系を選ぶ

– 同等かそれ以上の明るさの参照星を数十個同時に撮る– 参照星には高速自転星 ( 地球大気吸収スペクトル ) を含む– 各星のまわりでスカイも撮る

• 必要な SNR( の 10 倍 ) が達成できる系を選ぶ– FMOS Spectrum Simulator で露光時間などを決める– トランジットの長さとファイバー配置時間などを考慮– 系統誤差もあると思われるので、必要な SNR の 10 倍が達

成できるターゲットを選ぶ

想定している解析方法• ダーク、フラット、線形性補正、スカイなどを処理• Simultaneous reference spectro-photometry

– 同じ方法で GJ1214b という M 型星まわりの地球型惑星を観測した例が 12 月 2 日に Nature に掲載されたのでそれで説明

– VLT/FORS2 (Subaru/Focus と似た装置 )

• Telluric-corrected transmission spectroscopy

– 高速自転星による地球大気補正– 参照星によるフラックス補正– トランジット中 / トランジット外のスペクトルを作る

1 次元スペクトルを抽出する

青：参照星　赤： GJ1214

酸素 A 線 水

適当なバンドでスペクトルを積分する

相対測光ライトカーブを作る

ライトカーブをきれいにする

ライトカーブから観測パラメータとの相関を取り除く例えば：エアマス、時間、検出器のピクセル位置など

（高精度トランジット測光観測では基本的な解析方法）

いろんなバンドで同じことをする

モデルと比較する

Solar composition でないことは言えそうだが分子の混合比はまだわからない( 以上 Bean et al. 2010, Nature)

GJ1214b の大気モデル

Miller-Ricci & Fortney (2010)

赤：太陽系組成 x1

緑：太陽系組成 x30

水色：太陽系組成 x50

群青： 100% H2O

濃緑： 50% CO2, 50%

H2O

黄色： 100% CO2

FORS2 より FMOS の方が分子混合比に関する情報が多い

FORS2 band

S11A-012: Transmission Spectroscopy ofSuper-Earths and Hot-Jupiters with FMOS

• GJ1214 を含む、地球型惑星 2つ、ホットジュピター 3つをターゲットとして選択

• 2晩が最低希望夜数だったが、 1晩だけ採択– 減らした理由は初めての試みだから– SS から明るすぎるターゲットはゴーストなどが出てよくないとコメ

ント• すぐに TAC委員長に GJ1214 が第一希望であると伝える

– GJ1214 は明るさも控えめで、何より地球型惑星で初めて観測• TAC から一番明るい木星型惑星の系を観測するのがベストと

いう返事があり、スケジュールが確定・・・

将来の目標• S11A の 1晩で FMOS を用いた方法論を確立する• その後何としても GJ1214b の大気分子を検出する• FMOS でホットジュピターの secondary eclipse を検出する

– 他の大型望遠鏡では 10 例以上検出例があるが、日本人はまだ誰も検出していない

• TMT/MOBIE などで M 型星まわりの地球型惑星を狙う– SNR を予想したところ、 M 型～ぎりぎり K 型晩期まわりの酸素が豊富な地球型惑星なら酸素 A 線を狙える

– TMT の時代こそ日本が最初の観測を！

今年のその他の仕事まとめ• ロシター効果で軌道が傾いた惑星系を複数発見

– 明日プレスリリースされます• SEEDS で軌道が傾いた惑星の外側の伴星探し• TMT と SPICA のサイエンスを検討• 来年は貯まっている研究結果をもう少し発表し

たい

• Secondary eclipse について– 世界の大型望遠鏡の多くで観測・検出されている– 昨年すばる MOIRCS に提案したものの、 (海外では検出例がある

のに ) 本当にできるかわからないという TACコメントで不採択– Bean氏がすばる MOIRCS に提案したら S11A期に採択されている– TAC からは明確な理由の説明はない