アストロメトリによる系外惑星探査アストロメトリによる系外惑星探査　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　郷田直輝（国立天文台）

　　　　　　　

§ １ . イントロ

系外惑星探査

　　　　○ TPF(DARWIN):direct imaging, spectroscopic measurement

　 ○ JTPF 　

◎Target を先ず探す◎ 統計的解析を可能とする　　　　　広く深くサーベイ

・ transit ・重力レンズ ・ radial velocity ・ ・

★ アストロメトリによる系外惑星探査　アストロメトリーーー＞５次元情報　（天球上の位置、距離（年周視差）、固有運動）　　　　　天文学の様々なサイエンスを切りひらく　　　　　　　　　　　　系外惑星探査もその一つ

　　実際、 Origins 計画（ＮＡＳＡ）　　ＳＩＭーーー＞ＴＰＦへの橋渡し　　　

　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　星団★ 星の６次元位相空間 力学構造　　　銀河系　　　　　

★ 星までの距離 星の明るさ 恒星物理　　　　　　　　　　　　　エネルギー 遠方宇宙の距離

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　星形成　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　超新星遠くの銀河を知るための基礎ともなっている

★ 星の運動 連星系、惑星系

§2. Reflex motion による探査◎Reflex 　 motion

惑星からの摂動ーーー＞主星のふらつき

C

α

M＊ G Mp

a

主星のふらつき：　　固有運動、地球の年周運動からのずれの運動　　　　（厳密には光学中心のふらつき）

○radial 方向ーーー＞ doppler shift

　　　　　ーーー＞ spectroscopic search

○tangential 方向ーーー＞ astrometoric search

　

◎ ２つの方法の比較

○Spectroscopic:

　・精度が星までの距離に依らない　・惑星軌道の inclination に依存（図１参照）　　ーーー＞惑星質量の下限値を制限　・星の振動、回転による doppler shift 効果が混じる　　可能性あり

○Astrometric:　・惑星軌道の inclination に依存しない　（惑星質量は上限値を制限）　・星の振動、回転の影響はない　・年周視差ー＞主星までの距離ー＞　　主星の真の明るさー＞主星の質量、年齢　・星までの距離が遠いほど、精度が悪くなる ・地球型惑星探査だと、主星表面の光度の非一

様性が影響◎ ２つの方法を組み合わせると有効（共に惑星の公転周期の約半分以上の観測　時間は必要）

§3. Astrometory による観測結果高精度観測のため、　地上ーーー＞スペースへ◎ ヒッパルコス衛星 (ESA:1989---1993)

精度・位置、年周視差：～ 1mas ーーー＞　 100pc にある星の距離を 10% の誤差で測定・固有運動：～ 1mas/year ーーー＞1kpc にある星の横断速度を 5km/s の誤差で測定

　　　どこまで分かっているか？

今までどの程度まで分かっているか？

◎ 主な結果○Perryman etal.(1996) 　　　　　○ Mazeh etal.(1999)

　　　　　　　　　　　　　 ・ v A ｎ d:10.1±4.7MJ

惑星質量の上限値：　 ・ 47UMa: 7 - 22MJ

・ 70Vir: 38 - 65MJ

・ 51Peg: 500 - 1100MJ

○ 　 HST （ FGS) による観測　 Benedict etal.(2002) ・ GI876b: 1.89±0.34MJ

cf. 地上e.g. Gatewood(1996) Lalande21185:

0.9MJ, P=5.8years

その他：地上干渉計でも進展 (narrow astrometry)

★ さらに高精度なアストロメトリ観測が必要

★Reflex motion によるずれ 　 α ： angular semi-major axis(as) Mp : planet mass 　 M ＊ :parent star mass d : 太陽系からの距離 (pc) a : Mp と M ＊の間の距離 (AU)

(Mp<<M ＊ , Lp<<L ＊を仮定 )

M ＊ =1MSUN, Mp=MJ=0.001MSUN,a=5AU,d=100pc ーーー＞ α ＝５０ μas

高精度アストロメトリ観測が必要

C

α

M＊ G Mp

a

d

a

M

Mα P

§4. 今後の観測計画

◎10μas オーダーの観測へ銀河全体を見渡せる、系外銀河も target に入る　　　　　　　　　　　　　　　

天文学の多くの分野に break through をもたらす

※10μas の位置精度 月の上の、１円玉の直径（約 2cm ）ほど 離れ

た 場所の違いや移動を測定可能

☆ 特に関係する重要なサイエンス

天体物理Distance indicators 宇宙論、

恒星物理I.Stellar Astrophysics星の形成、進化

銀河形成・進化

超新星

：

ダークマターrotation curve

MACHO

構造と力学II.Galactic Structureハロー

spiral arm, warpディスク

バルジ

Satellite Dwarfs

銀河系の重力ポテンシャルと

その時間進化

銀河の形成・進化）Distance indicator(系外銀河の回転

系外銀河の運動

局所銀河群、銀河団のダークマター：

惑星系形成III.Planet detection

一般相対論の検証IV.Fundamental Physics

の設定Reference frame

予想外の発見V.

★ 今後のスペース計画○ 欧米（可視光）：　ＤＩＶＡ，ＳＩＭ，ＧＡＩＡ＊ＳＩＭのみ干渉計。他は望遠鏡。ーーー＞表参照○ 日本：赤外線スペースアストロメトリ計画 （ＪＡＳＭＩＮＥ計画）10μas ＠Ｋ＝１２ or z=16銀河中心、バルジ、銀河面のサーベイ、星形成領域

★ 地上の干渉計 (narrow angle astrometory)Keck, VLTI －－＞ 10 ～５０ μas

★ 他の計画の中での位置づけ 将来の高精度スペースアストロメトリ計画（欧米）

Remark: すべて可視光での観測

計画 打ち上 星 の 観 測 限界等級 精度機関 装置

（個）げ予定 数

Hipparcos ESA 1989 120000 12 1mas@V=10望遠鏡

DIVA Germany 2006 3500 15 250 as V=10μ望遠鏡 ～ 万 ＠

FAME USNO& ??? 4000 15 50 as@V=9μ望遠鏡 万

NASA

SIM NASA 2009 20 4 as@V=20μ干渉計 ～ １万

GAIA ESA 2012 20 10 as@V=15μ望遠鏡 ～ １０億

★JASMINE 計画について概要★ 位置天文精度：約 10 万分の 1 秒角　　　　　　天文学の大革命！★近赤外線 (1μm ～ 2μm)　　　　　　　可視光より遙かに多くのバルジ、銀河面　　　　　　　の多くの星を観測可能 ( 可視光に比べてダストに

よる吸収　　　　　　　の影響が少ない） 　　　　　　　　　　バルジ、銀河面は、銀河形成史の“化石”★世界で唯一。日本独自の計画。

★打ち上げは、約１０年先を目標

cf: 欧米は可視光の計画：DIVA,GAIA(ESA),SIM(NASA)

　　

（ＩＩ）サイエンスの目標　　○銀河系形成・進化の“化石”を探る　　○バルジ、ディスク　　　　　銀河の形態　　○太陽系をはるかに超える、大規模な自己重力　　　多体系の物理法則の解明 ・ Galactic bulge: morphology, 　 kinematics,…

-------> formation history of the bulge

・ Galactic disk: dynamics of spiral arms,

nature of stellar warp, …

　 ・星形成領域のおける星自体の距離と運動　 ・ディスク星によるマイクロレンズ効果 ・ Local group of galaxies

（ＩＩＩ）達成精度とサーベイ面積　 K-band(2.2μm) 　の場合年周視差の精度

　　　　　　　　　　サーベイ面積：　　　　　　　　　　　　 K=10mag 以下　　　　 σ ＝ 4μas

　 K=13mag 　　　　 σ ＝ 16μas( 銀河中心の星の　　　　　　　　　　　　　　 距離精度が、 13%)

　 K=14mag 　　　　 σ ＝ 26μas ( 銀河中心の星の　　　　　　　　　　　　　　 距離精度が、 20%)

magKas 12@10 7360

（ＩＶ） JASMINE での観測方法と仕様概要　　位置天文観測の精度 　　　　 N: 星の光子数

大きな Nが必要 大口径の鏡

大きな視野 多くの検出器を並べる

ND/~

（Ｖ）望遠境の仕様（ K-band と z-band の両方を平行して検討）

★K-band の場合

○ 鏡のサイズ： D=2m の円形（中心に直径 0.7mの穴 )

-------> 面積

○ 焦点距離：

望遠鏡仕様：リッチークレチアンをベース

276.2 mA

mf 4.65

○ 視野直径： 　　　 Astrometry 用の有効な視野面積

51.0s

11029.1

光学系（矢野氏作成）

（Ｖ I ）検出器　 K-band(2.2μm) と z-band （～ 0.9μm) の両方を　平行して検討中★検出器の開発　 (I)K-band で感度がよく、 CCD機能を備えて、 TDI

　 モードが可能な検出器の開発が必要　　 　　裏面照射型薄化 CCD＋ HgCdTe

　　　　　　　　　　　　 インジウムバンプ

＊科研費基盤研究 A(2) （小林行泰代表）で開発中 (II)z-band(0.9μm) で感度のピークがある CCD も検出器の候補として、平行して検討中（宮崎氏による開発）。　○ TDI の問題、経費の問題は少ない

（ＶＩＩ）サーベイ方法

　○連続的にスキャン　　○銀河面付近を主に観測　　○太陽方向を見ないようにする　　　　（春と秋は、銀河面方向。　　　　夏と冬は、銀河面にほぼ直交する面方向を　　　　観測）　

★ 衛星の運動 ○1 つの target に対する 1 つの検出器の積分時間：約 9.5 秒 　　　　　　　　　衛星のスピンレート： 24.7 秒角 /

秒 　　　　衛星のスピン回転の周期：約 15 時間

　参考：　　検出器１画素の angular size: 57.3ミリ秒角 (mas)

　　検出器の angular size: 235 秒角

○歳差運動の周期：約 83 日

　　　

　　　　　　　　（矢野氏作図）

　★大角度離れた field の同時測定 ○ 絶対的な年周視差を得るため　○衛星回転則のずれを観測データを用いて自己完結的に測定

　 大角度離れた filed を同時に観測する方法が得策JASMINE も同じ鏡を２枚用いて、同時に大角度（約９０度）離れた領域の星を測定する。

＊２枚の鏡に対して、焦点面は共有する 　　解析により、どちらの鏡から来たか分離可能

(VIII)衛星の軌道Sun-Earth の L2-point に投入予定

理由：　　 (i) 太陽、地球がほぼ同じ方向にあり、観測できる領域

を　　　拡げられること。　　 (ii)熱的環境の変化が安定していること　　 (iii)衛星の軌道制御が比較的容易であること　　 (iv)放射冷却により冷却できる○実質の観測年数：　○1 つの target を 1 年当たりにサーベイする回数： 約 30回　　　　　　　　　　　　　　（連続する 4回は、短時間

以内）

yrTmis 5

2006

JASMINE

可 視 光 ス ペ ー ス

サ ー ベ イ ：

特 定 天 体 ：

地 上 電 波 ：

赤 外 線 ス ペ ー ス ：

2002 2004 2009 2012 2015

DIVA

FAMEGAIA

SIM

VERA

?

？

例　 GAIA での惑星探査（図参照）　

○Jupiter mass planet

　－－－＞～ 200pc まで検出可能Sun ー Jupiter system で 100pc の距離（ 50μas の displacement ）～ 10,000個の system が期待（太陽型の主星が

4-5% の確率で木星型惑星を持つと仮定）ーーー＞統計的研究へ

★ 星の動き　距離： 50ｐｃ、　固有運動： 50mas year -1

Mp=1５MJ 、　 e=0.2 、　 a=0.6AU

摂動の大きさは、 30倍に拡大して見えやすくしている

○Earth mass planetSun ー Earth system で 10pc の距離ーーー＞ 0.3μas の displacement 　困難！(SIM(narrow angle astrometory) －－＞10pc の距離で 5MEarth の planet の検出可能： )

仮に sub-microarcsecond の観測が可能だとしても困難主星表面の光度の非一様性（黒点）

・ displacement: 500km (0.03%of the stellar diameter)一方、・太陽面積の 1% の黒点ーーー＞太陽の光度中心を 0.5%移動させる。 動きの違いで分離できるか？

　いずれにせよ、

　　アストロメトリによる系外惑星探査にも

　　期待ができる。

GAIA JASMINE

SIM DIVA

参考：ホームページのアドレス可視光による衛星計画：GAIA 計画 (ESA) http://astro.estec.esa.nl/SA-ｇ eneral/Projects/GAIA/

DIVA 計画（ドイツ） http://www.aip.de:8080/groups/DIVA/

FAME 計画 (USNO) http://aa.usno.navy.mil/fame/

SIM 計画 (NASA) http://sim.jpl.nasa.gov/

赤外線位置天文観測衛星：JASMINE 計画 ( 日本 )

http://www.jasmine-galaxy.org/index-J.htm