系外惑星大気の成分分析 nature06823、nature07574

系外惑星HD189733bに関する
赤外観測の進展
北海道大学理学部地球科学科
惑星宇宙グループ
高橋康人
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卒業研究概要・目的
研究概要：
Swain et al. 2008、Grillmair et al. 2008、Knutson
et al. 2007の論文講読
研究目的：
系外惑星研究において先駆的な成果を収めている
これらの論文の講読から、この分野の研究の具体
的手法と今日の課題を学ぶ。
将来的な目標：
系外惑星の大気放射スペクトルの数値モデルを構
築し、大気の成分分析という観点から系外惑星の多
様性を探る。
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系外惑星
 系外惑星とは？
・太陽系外で、恒星の周りを
公転する天体。
 発見された系外惑星の特徴
・主星に近く大型のものが多い。
(ホットジュピター)
 発見手法
・トランジット法
・ドップラー法
・その他
 候補発見個数
・429 個( 2010/02/01 時点)
(発見された系外惑星の質量と個数)
縦軸：発見個数
横軸：木星質量比
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(The Extrasolar Planets Encyclopaedia より)
対象系外惑星 HD189733b
 基本データ
2005年10月5日 F.Bouchy らが発見
方角: こぎつね座付近
主星: HD189733
距離: 19.2 pc
質量: 木星質量の1.13倍程度
軌道長半径： 0.031 AU
 発見方法
トランジット法
 惑星種類
ホットジュピターのひとつ
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(HubbleSite より) (HD189733bのイメージ図)
Swain et al. 2008 概略
論文詳細
題名：The presence of methane in the atmosphere
of an extrasolar planet.
著者：Swain, M. E., Vasisht, G. & Tinetti, G.
掲載紙：Nature 452, 329-331 (2008).
論文要旨
HD189733bの近赤外波長域における大気透過スペ
クトルから、メタンの吸収特徴を検出。
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研究手法
 観測
ハッブル宇宙望遠鏡を使用。
軌道5周回の間にHD189733bのトランジットを観測。
 大気透過スペクトル
惑星の大気層を通過した主星のフラックスが持つスペク
トル。 → 惑星大気の特徴を含む。
 抽出方法
トランジット中のスペクトル – トランジット前後のスペクトル
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トランジットによる光度変化
上図縦軸：光度変化
下図縦軸：残差
横軸：改ユリウス暦（分）
青：H帯(1.6-1.8μm)
赤：K帯(2.0-2.4μm)
系統誤差のみ補正済み
赤はオフセット済み
2007年5月25日観測
(Swain et al. 2008 より)
 第一食は2周回目で起きている。
 食に伴う光度減少は明らかだが、加えて食の間にも周縁減光による
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光度変化が見られる。
観測結果とモデルの比較
水色：水のみの理論モデル
橙色：水＋メタンの理論モデル
黒三角：観測値
(Swain et al. 2008 より)
 1.5及び1.9μm
･水の特徴
 1.7及び2.2μm
･メタンの特徴
 さらに少量のアンモニア
あるいは一酸化炭素を加えると、一致が改善
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Grillmair et al. 2008 概略
論文
題名： Strong water absorption in the dayside
emission spectrum of the planet HD189733b.
著者：Grillmair, C. J. et al.
掲載紙：Nature 456, 767-769 (2008).
論文要旨
HD189733bの中間赤外波長域における日面放射
スペクトルから、水の吸収特徴を検出。
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研究手法
 観測
スピッツァー宇宙望遠鏡を使用。
半年間にわたって、計10回の二次食を観測。
 惑星日面放射スペクトル
惑星の日面側から放射されるスペクトル。
大気層による吸収がある波長帯では、強度が減少する。
 抽出方法
二次食前後のスペクトル - 二次食の間のスペクトル
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観測結果とモデルの比較
縦軸：主星に対する惑星の
フラックス比
横軸：波長
黒点：今回の観測結果
三色の線：予測モデル値
Pn：熱再分配パラメータ
κe：大気上層の不透明度
 10μm以下の波長
帯におけるなだら
かな傾斜
 6.5μm付近におけ
る小規模なピーク
↓
いずれも水の特徴
(Grillmair et al. 2008より)
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Knutson et al. 2007 概略
論文
題名： A map of the day-night contrast of the
extrasolar planet HD189733b.
著者： Knutson, H. et al.
掲載紙：Nature 447, 183-186 (2007).
論文要旨
HD189733bの日面放射スペクトルにおける波長
8μmの赤外線の強度変化から、惑星表層の温度分
布マップを推定。
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研究手法
 観測
スピッツァー宇宙望遠鏡を使用。
8μmの赤外線を観測。
トランジット開始直前から二次食終了直後までのほぼ
公転半周の期間。
 高い時間分解能
0.4秒毎に撮像。・・・細かい時間変化をとらえる
→軌道位置とデータの対応
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軌道半周期にわたる光度変化
 最初の減衰がトランジット、二
回目の減衰が二次食。
 トランジット後から二次食直前
にかけて、光度が増加。
→惑星の日面が視界に入っ
てきたため。
 最大光度・最小光度が各食中
心とずれている。
縦軸：二次食中心を1とした相対光度
横軸：トランジットの中心を原点とする公転周期
点：観測値(500点毎に集約)
(Knutson et al. 2007より)
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惑星表層の温度分布の推定
 ある時点での軌道位置と光度
から、惑星の経度方向とそれ
に対応する光度を決定。
 最大光度・最小光度の点が恒
星直下点・恒星対蹠点からそ
れぞれずれて、いずれも東半
球に存在している。
 実際にこのような温度分布で
あるとすれば、複雑な大気循
環が存在する可能性を示唆。
(Knutson et al. 2007より)
下図縦軸：主星に対する相対光度
下図横軸：惑星の経度
上図：下図を基に全球の温度分布を
モルワイデ図法で表したもの
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今後の課題
観測対象の拡大
観測条件の整った惑星系の発見、および観測機器の
改良。
分析手法の確立
遠方にあり、なおかつ恒星よりもサイズの小さい惑星
の情報をいかにして得るか。
理論モデルの改良
いずれの論文においても、結果解釈に理論モデルの
存在が不可欠。
→より再現性の高いモデルの必要性
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参考文献
 Swain, M. R., Vasisht, G. & Tinetti, G. The presence of methane in
the atmosphere of an extrasolar planet. Nature 452, 329-331 (2008)
 Grillmair, C. J., et al. Strong water absorption in the dayside
emission spectrum of the planet HD189733b. Nature 456, 767-769
(2008)
 Knutson, H. A. et al. A map of the day–night contrast of the
extrasolar planet HD189733b. Nature 447, 183–186 (2007).
 The Extrasolar Planets Encyclopaedia
http://exoplanet.eu/
 HubbleSite
http://hubblesite.org/
 European Space Agency
http://www.esa.int/
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