IRSF/SIRIUS によるスーパーアース GJ1214b の大気観測

成田憲保（国立天文台）永山貴宏 ( 名大 ) 、末永拓也 ( 総研大 ) 、福井暁彦 ( 岡山観

測所 ) 、生駒大洋 ( 東大 ) 、中島康、西山正吾、田村元秀 ( 国立天文

台 )

目次

• 背景

• 近赤外高精度測光の方法

• GJ1214 について

• 観測結果とモデルの比較

トランジット惑星の大気観測• 系外惑星のトランジットの深さは惑星大気の組成に依存する

– 特に近赤外では分子大気組成に依存

– 多波長トランジット観測によって惑星大気の組成を推定できる

– サイズの小さい低温度星のまわりに地球サイズの数倍程度の惑星 ( スーパーアース ) がトランジットで発見されてきている

– スーパーアースの大気組成の観測はようやく可能になった新しいサイエンス ( これまではホットジュピターのみ )

• これらの研究を行うには mmag レベルの高精度測光が必要– しかし現実には近赤外の高精度測光は難しかった

なぜ近赤外高精度測光は難しいか？

赤外検出器は感度むらが大きい上に、フラット光源がそれほど一様でない

フラットの不完全性

大局的 (~1000pixel) には 1% 弱、局所的 (~10pixel) でも 0.1% 程度( 岡山 ISLE での試験観測より )

バッドピクセル

赤外検出器はバッドピクセルが多い（図は IRSF のバッドピクセルマップ）

近赤外高精度測光の方法

• フラットが完全でないなら、ターゲットを検出器上で動かさないようにすればよい

• バッドピクセルが多くてもそこにターゲットを乗せなければよい

• さらにフォトンをたくさん稼ぐため、また線形性の良いカウントで観測するために、ターゲットをデフォーカスすればよい

ターゲットを検出器上で固定するには

• オートガイダーがあれば一番楽

• もしオートガイダーがない場合は、星像が動いた時に望遠鏡にフィードバックをかければよい

– 重心位置が数ピクセル以上移動したらフィードバックをかける

– トラッキング精度が悪いとフィードバックの回数が増えて時間のロスが増えるが、フラットの不完全性のノイズをひろってしまうよりはよい

岡山 ISLE での試行錯誤（ 2009 ～）

先ほどの方法を踏まえてオートガイダーで観測

岡山 /ISLE の J バンド測光観測

J<10 の天体で ~0.1% の測光精度を安定的に達成

IRSF の場合

• オートガイダーがないため、位置固定ソフトが 2011 年に導入された– これによって初めて高精度測光観測が可能に

• 多波長トランジット観測による惑星大気の観測– トランジットの深さは特に近赤外では分子大気組成に依存

– 多波長の近赤外トランジット観測によって、惑星大気の組成を推定できる　 -> 　 IRSF の 3 色同時の機能は非常に魅力的

最初のターゲット： GJ1214b

• 初めて発見された低温度星 (M4.5V) 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

• 主星が ~0.2RSun 程度と小さいため、スーパーアースでも

1% 以上の減光を起こす

• 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

• 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

先行研究

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

IRSF/SIRIUS の JHKs 同時測光観測

永山さんによるほぼリアルタイム解析の結果

上：参照星とターゲットの等級、下：相対等級

トランジット外の補正

• 生のライトカーブは主星・参照星の変光やエアマスの影響などで若干時間変化している

• 星の位置の変動が小さければ線形でもよく補正できる

• 右は J バンドのライトカーブ

• k0 + kt*t + kz*z + kx*dx + ky*dy

補正後のライトカーブ

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

他の観測結果との比較

JH は他の観測とよく一致し、 Ks は Croll らの主張より浅く Beanらと一致

IRSF の観測でわかったこと

• JHKs でほぼフラットな透過光スペクトルを確認

• Croll et al. (2011) が主張した Ks バンドでの深いトランジットは見られなかった

• 現在のエラーの範囲では水蒸気大気のモデルと、厚い雲がある水素大気のモデルと合い、雲がない水素大気のモデルとは合わない

• 繰り返しの観測で制限を強める or 青い領域を観測することでさらに大気モデルの判別が可能になる

• NN et al., to be submitted this week

今後の課題

• GJ1214 のような面白い惑星系を自分たちの手で発見して、惑星大気の観測まで行いたい

• 特に、太陽系に近い惑星系でのトランジットを起こすスーパーアースを探したい

岡山観測所 ISLE での新しいトランジット惑星の探索

成田憲保（国立天文台）福井暁彦（岡山観測所）、平野照幸（東大）、

末永拓也（総研大）、高橋安大（東大）、大貫裕史（東工大）、

Eric Gaidos, Emily Chang （ハワイ大）

低温度星まわりのトランジット惑星

太陽系近傍 (J<10) でこれまでに発見されたのは

• GJ436 ：視線速度で発見後にトランジットを発見

• GJ1214 ：サーベイグループ MEarth による発見

の 2 つのみ

1 つの新たな惑星発見にも大きな意味がある

目標： J<10 の middle K-M型星でスーパーアース発見すばる IRD の目標は J<10 で 1m/s の精度 -> RV追観測が

可能

トランジット惑星探しの方法

• 定期的な星の減光現象を発見する

• 惑星以外の偽検出を取り除く

• 惑星の半径、質量、軌道を決定する

トランジット惑星と偽検出 (cf. 天文月報 )

トランジット惑星

二重星の一方にトランジット惑星

grazing eclipsing binary

二重星の一方が食連星

本トランジット惑星探しの全体の流れ

1. SuperWASP アーカイブから選定したトランジット惑星候補に対して、岡山の ISLE を用いて高精度測光観測を行い、その減光形状から惑星以外の現象を排除する

2. 1 をパスした候補について、すばる望遠鏡の HiCIAO やIRCS を用いて高空間分解能な撮像観測を行い、背景星の混入がないかどうかを調べる

3. 1 をパスした候補について、すばる望遠鏡の HDS や IRD

を用いて視線速度測定を行い、減光周期に同期した視線速度変動を調べる

研究準備状況：ターゲットの選定

日本で観測可能な S/N>6 or Δχ2>50 の低温度星を 50 個程度選定

今後これらの減光現象を高精度測光で確認し、惑星か食連星かを判別したい

地上可視トランジットサーベイ SuperWASP のアーカイブデータを利用

測光精度 σ

トランジット期間内の

データ点数 Ntr

減光率 δ

周期的減光の検出レベル

減光率と主星・惑星半径の関係

周期解析により折りたたんだ光度曲線

11B-12A の観測結果

• 25夜の割当のうち、 8夜の晴天夜– 岡山の統計的な晴天夜の割合と同程度

• 6 つのターゲットを観測– 12B のターゲットとは重複しない

– 何度か観測したターゲットがあるため 8 つではない

• 5 つは SuperWASP データの偽検出と判別

惑星の可能性を排除できなかった候補

1 つの候補で惑星と矛盾しない 0.17% の減光を検出

ただし、 2 度目の高精度測光観測ができていない(4-6 月が観測時期！ )

研究準備状況：直接撮像観測

先ほどの候補に対しては５月にすばるで直接撮像観測を行い、

減光を起こしうる背景星の混入はないことを確認した

研究準備状況： HDS での視線速度測定

6 月 30 日から 7 月 2 日に HDS での視線速度観測を実施~2m/s ほどの精度を達成し、食連星ではないことを確認

我々の今後の研究計画

• 2014 年頃の IRD 稼働前→新しいトランジット惑星の探

索

– 地上や宇宙トランジットサーベイのアーカイブをもとに候補を

選定し、高精度測光観測・直接撮像観測・視線速度測定によって

本物の低温度星まわりのトランジット惑星を発見する

• IRD 稼働後→トランジット惑星の特徴づけ

– 事前に発見した惑星候補の質量と軌道を決定

– 新しいトランジット惑星の詳細な観測を世界に先駆けて行う

まとめ

• 日本で初めての低温度星まわりのトランジット惑星探し

• もし本物のトランジット惑星があった場合に、実際に発見できるだけの十分な準備を行っている

多色近赤外広視野カメラへの期待

• 地上からの高精度近赤外測光観測はつい最近可能となった新しい観測技術で、世界でもまだそれほど普及していない

• 高精度測光観測では参照星の存在が重要 ->広視野が重要

• 赤外検出器も大型化が進んできた

• 特に 1-4m の中口径望遠鏡で広視野の近赤外カメラは世界にほとんど存在しておらず、今後早く作ったところがさまざまな研究を独占できる状況

• 日本の中口径望遠鏡に IRSF/SIRIUS-like なカメラを期待

低温度星のトランジットサーベイ他グループとの比較

MEarth UH NAOJ

望遠鏡 40cm x 8 台 2m FTN/1.3m MDM

188cm

場所 アリゾナハレアカラ / アリ

ゾナ 岡山

観測波長 narrow z Z/i J

精度1 台：～ 3mmag

8 台：～ 1mmag～ 1mmag ～ 1mmag

観測開始年 2008 2010 2011

事前情報 なし SuperWASP SuperWASP

年間観測夜数 専用 ～ 10/ ～ 40

～ 30( 一般枠 )

～ 80( プロジェクト )

晴天率 ～ 50% ～ 50% ～ 30%

RV フォローアップ Keck/HIRES Keck/HIRES Subaru HDS/IRD

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見込まれる成果

• 出版可能論文数– 発見惑星数 x (3 ～ 4本 ) ：惑星発見、高精度パラメー

タの決定、多波長観測による惑星大気組成、 TTV

– 偽検出の統計： 2本

– ユニークな偽検出：

– 既知の低温度星まわりのトランジット惑星の追観測：最低 3本 (GJ1214, KOI-254, KOI-961)

≧ 発見惑星数 x 4 + ユニークな偽検出数 + 5

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期待するトランジット惑星発見数

• これまでの SuperWASP の観測によると– 太陽型星では食連星の混入割合は～ 9割、惑星が～ 1割

– 食連星の伴星のほとんどは低温度星

– SuperWASP は太陽型星に～ 70個の木星型惑星を発見しており、太陽型星に対する統計的な混入確率はある程度信頼できる

– 低温度星に対する混入確率の研究はこれまで行われていないため、統計的な値は不明 ( この統計自身も論文化可能 )

– 低温度星同士の連星の場合、低温度星はサイズが小さいため、同じ距離にある連星が食連星になる確率は太陽型星より低い

• 我々が期待する惑星発見数は 5個前後– cf. 1個の惑星発見で年平均 3本程度の論文出版数見込み

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