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まいえますはら
5 years ago
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1 宇宙科学 II ( 電波天文学?) 第 9 回太陽系外惑星前回の復習 1

2 単位 (m) 人間太陽近傍の恒星地球太陽太陽系銀河系銀河銀河団宇宙の果て白色矮星 2013/6/21 宇宙の階層構造ログスケールで表示した宇宙の大きさ太陽質量の 8 倍程度までの星は最後に炭素のコアが残り惑星状星雲を経て白色矮星となるシリウスBの例恒星の光度と等級 m = -2.5 log (f / f 0 ) f 0 : ベガの光度 (0 等級の基準 ) m = +5 等級で明るさ100 分の1 シリウスA シリウスB -1.5 等星 8.4 等星シリウスとその伴星シリウス B 後者はシリウスより温度が高いが 100 万分の 1 の明るさしかないシュテファンボルツマン則から半径が極めて小さく超高密度の天体であることがわかる 2

3 中性子星とパルサーパルサー定期的なパルスを発する星高速回転する中性子星で超新星爆発で形成される直径 10km パルサー ( 中性子星 ) の模式図かに星雲 : 1054 年に出現した超新星の残骸この中心にもパルサーが見つかっている連星パルサーと重力波連星パルサー PSR の発見 ( ハルステイラー ) 公転周期がわずか 7.7 時間公転周期の変動から重力波放出を間接的に確認 PSR の模式図公転周期はたったの 7.7 時間 2 天体間は 70 万 ~350 万 km アレシボ望遠鏡 3

4 太陽系外惑星太陽系外惑星探査太陽系のような惑星系は普遍的に存在するか? > 人類の根源にかかわる現代天文学の重要課題 1990 年代に最初の系外惑星が発見され 2011 年までに 500 個を超える系外惑星が知られているさらに候補は数千個あるその多くは太陽系とかけ離れた惑星系! 太陽系 4

5 太陽系のおさらい太陽系の惑星は様々な種類がある岩石惑星 ( 水金地火 ) 巨大ガス惑星 ( 木土 ) 氷惑星 ( 天海 ) 岩石惑星巨大ガス惑星氷惑星生命誕生に必要な条件 - 海の存在岩石惑星液体の水が存在する温度にある ( 主星からの適度な距離 ) 最初の惑星検出 : パルサー周回惑星! 最初に見つかった太陽系外惑星 PSR , 周期 6 ms のパルサー (Wolszczan et al.1992) 5

6 PSR パルスタイミングの残差が 2 惑星モデルでフィットできるパルサーの周りに地球の 3 倍程度の惑星が 2 個存在! 主星からの距離 0.4 AU 周期 67, 98 day パルサーの回転変化から光度を求め惑星の黒体輻射温度を求めると T ~ 670 K とても生命が存在できない ( いたとしても超新星爆発でほろんだ?) PSR その後さらに小さい 3 つ目の惑星 ( 地球の 2%) 彗星相当? の微小天体 ( 地球の 2000 分の 1) も発見されている!! 6

7 51 Pegasi ペガサス座 51 番星太陽から 51 光年離れた 5 等星 ( 普通の星 ) Mayor & Queloz (1995) が恒星周囲の初の惑星を発見 ( 引用回数 ~1400!) 51 Peg a & b 主星は太陽と同様な恒星質量 ~1 Msun 温度 ~5600 K ドップラー法で主星のふらつきを検出惑星は木星の 0.5 倍程度周期 4.2 日軌道半径 ~0.05 AU 太陽系と全然違う! 51 Peg 視線速度変化 7

太陽系の場合主星 - 地球 1 AU 公転周期 1 年 51 Peg の想像図太陽系外惑星の観測手法パルサータイミング最初の系外惑星発見 (1992 年 ~) ドップラー法 ( 主星の視線速度変化 )

8 51 Peg b : ホットジュピター主星のすぐそばを回る巨大惑星 ( 重さ ~ 0.5 木星質量程度 ) 推定表面温度 ~1300 K > ホットジュピター太陽系と 51 Peg との比較 51 Peg の場合主星 - 惑星 0.05 AU 公転周期 4.2 日! 太陽系の場合主星 - 地球 1 AU 公転周期 1 年 51 Peg の想像図太陽系外惑星の観測手法パルサータイミング最初の系外惑星発見 (1992 年 ~) ドップラー法 ( 主星の視線速度変化 ) 恒星周囲の最初の惑星発見 (1995 年 ~) トランジット法 ( 惑星による食 1999 年 ~) 直接撮像法 (2004 年 ~) 重力マイクロレンズ法 (2005 年 ~) これまではドップラー法による発見が最も多かった ( 数 100 個超 ) がケプラー衛星によってトランジット法が格段に増加それ以外は合計数 10 例程度 8

とすると主星のふらつく速度 V* は V * ~ M p /M * x V p V p ~ (GM * / r ) ½ 太陽系の場合木星 : V p ~ 13

9 ドップラー法最も発見数が多いのは視線速度法惑星の公転の影響による主星のふらつきを観測 ( ドップラー効果 ) 51 Pegをはじめ多くの惑星はこの方法による惑星の公転による主星のふらつき 51 Peg の視線速度の変化ドップラー速度の期待値主星は主星と惑星の重心のまわりを動く円軌道を考え Mp << M* とすると主星のふらつく速度 V* は V * ~ M p /M * x V p V p ~ (GM * / r ) ½ 太陽系の場合木星 : V p ~ 13 km/s, V* ~ 13 m/s 地球 : V p ~ 30 km/s, V* ~ 0.1 m/s 1 m/s( 光速比 3 億分の1) を切る超高精度が必要 c.f. 人間が歩く速さ ~ 1 m/s!! 9

10 トランジット法恒星の前を惑星が横切る食を利用主星と惑星の面積比で主星の減光割合が決まる F/F ~ R p2 /R s 2 太陽ー木星なら F/F ~ 1% 太陽ー地球なら F/F ~ 0.01 % 観測は単純精密な測光が必要金星の日面通過地球から見える太陽系内天体のトランジットの例 2012 年 6 月 6 日に発生その次は 2117 年, 2125 年前回は 2004 年 6 月 8 日前々回は 1874 年 1882 年 ( 当時 1 天文単位の測定に利用された ) 10

11 昨年 5 月の金環日食これもトランジットの一種といえる WASP Wide Angle Search for Planets 2000 年 ~ 11 cm のカメラ x8 台でトランジット探査 50 個程度の惑星を検出 11

12 Corot( コロー ) 衛星欧州宇宙機関 (ESA) の惑星探査衛星口径 30cm の光学衛星惑星探査 (transit) と星振学の研究 2006 年 12 月打ち上げ 2013 年まで運用予定現在までに ~15 個の惑星を発見 NASA の惑星探査衛星ケプラー衛星 2009 年 3 月打ち上げ計画寿命 ~3.5 年口径 0.9m 光学望遠鏡搭載白鳥座方向で約 15 万個の星で惑星探査 (transit 法 ) 現在までに ~ 数千個の惑星候補を発見 12

13 直接撮像法天体写真上で主星と惑星をとらえる高いコントラストと解像度を必要とし極めて難しい太陽系を10 pcの距離に置いた場合 m sun = 4.8 mag m jup ~ 23 mag, θ~0.5 m ear ~ 30 mag, θ~0.1 主星から離れた惑星が見やすいすばるが見た GJ758 の惑星 GJ758 主星から 30AU 程度の距離に木星の数十倍の惑星 (?) 13

重力マイクロレンズ法星による重力レンズ背景の星の前を重力源が横切るとレンズとして働き多重像が発生ただし

通常は恒星 ) の周囲に惑星があると増光に異常がでるマイクロレンズによる惑星探査例長所 :

追観測ができない OGLE-2005-BLG-390 : 太陽からの距離 2 万光年地球の 5 倍

14 重力マイクロレンズ法星による重力レンズ背景の星の前を重力源が横切るとレンズとして働き多重像が発生ただし多重像の離角が小さく分解不可能 > マイクロレンズ ( 増光が見える ) 光源レンズ観測者レンズ天体 ( 通常は恒星 ) の周囲に惑星があると増光に異常がでるマイクロレンズによる惑星探査例長所 : 太陽から遠い星で主星から離れた惑星も探せる短所 : まったくの偶然で起こる現象なので周期性なし追観測ができない OGLE-2005-BLG-390 : 太陽からの距離 2 万光年地球の 5 倍主星からの距離 ~3 AU (2006 年発見 ) OGLE-2005-BLG-390 の光度変化 OGLE-2005-BLG-390 の想像図 14

15 位置天文法主星の揺らぎを位置変化を使って求める方法主星から離れた惑星に感度がある太陽の場合木星によるふらつき量 rは r ~ r x M p/m * ~ 1/200 AU 年周視差の数百分の1の測定精度が必要位置天文法による惑星探査は今後の課題観測手法のまとめパルサータイミング数個ただし超高精度ドップラー法 ~400 個主星に近い惑星トランジット法 ~100 個主星に近い惑星 ( 他に数千個の候補 ) 直接撮像法 (2004 年 ~) ~20 個主星から遠い惑星重力マイクロレンズ法 ~10 個主星から数 AU 前後に感度位置天文法 ( 今後 ) 15

16 系外惑星の現状これまでに見つかった惑星系は太陽系と大きく異なるシステムが多い木星型が主星の近傍を回るものが多い ( ホットジュピター ) ただし観測手法によるバイアスもある地球型惑星の検出はまだ ( あともう一歩 ) 興味深い系外惑星たち 16

17 グリーゼ 876:3 重惑星系 Gl 876 ( グリーゼ 876) みずがめ座距離 15 光年複数の惑星が存在周期 60 日木星サイズ周期 30 日木星サイズ周期 2 日地球の6 倍岩石型ただし約 300! Gl 876c の視線速度変化 Gl 876d の想像図グリーゼ 581 太陽から 20 光年にある 10.5 等星質量 ~0.3 Msun 半径 ~ 0.3 Rsun 表面温度 3500 K 太陽よりも軽くて暗い星 17

18 Gl581 の観測ドップラー法により周期 5 日 ~430 日の惑星を 6 個確認 ( 多重惑星の最多記録 ) 太陽系との軌道比較 (Vogt+2010) グリーゼ 581 質量は地球の数倍から 20 倍の質量一部はハビタブルゾーンに? GJ581 のハビタブルゾーンと惑星配置惑星の模式図 18

19 Gl 581c - 生命が誕生可能な惑星? Gl 581c は生命の誕生可能な条件を有する? 質量地球の5 倍程度軌道 AU 公転周期 13 日表面重力地球の約 2 倍表面温度 0 ~100? ただし詳細はまだ未確定 Gl 581 の想像図 ( 上 ) と写真 ( 左 ) Kepler-11 トランジットで見つかった多重惑星系 (2011 年 2 月 ) 惑星数 6 個!(Gl581 とならんで現在最多 ) 19

20 Kepler 11 コンパクトな領域に多数の惑星が存在!! 太陽系と大きく異なる多重惑星系を提示 HW Vir 連星 (2 つの太陽 ) を巡る惑星系 (2 個 ) 食連星のタイミング観測で検出 Lee+(2010) 20

21 フォーマルハウト b みなみのうお座の 1 等星距離 25 光年質量は太陽の約 2 倍主星から 115AU に木星の数倍の惑星 ( 直接撮像 ) 周期 ~870 年 HST の画像 Kalas+2007 がか座ベータ星がか座ベータ星恒星周囲のガス円盤で有名 ( 星形成の名残惑星の材料 ) 惑星あり周期 17 年直近の惑星形成を見ている? Lagrange

22 HD と惑星オシリス HD ( ペガサス座 ) にあるホットジュビター質量 0.7 木星質量公転半径 AU 周期 3.5 日表面温度約 1200 大気の存在が初めて確認された ( ナトリウム酸素炭素 etc) しかし温度が高いので生命の存在は難しい HD とオシリスの想像図 HR8799 直接撮像による複数の惑星系 2010 年 VLT によって初めて惑星の光が分光された惑星の性質を直接調べる第一歩! 22

23 ケプラー 22b 地球の 2.4 倍程度の半径を持つ惑星主星は太陽程度の恒星ハビタブルゾーン内にある ( 推定温度 ~295K) 2011 年 12 月確認海があるかも? 生命があるかも? 宇宙人がいるかも? ( 可能性は0でない ) 金属量と惑星の関係 Kepler 衛星で見つけた 226 個の惑星の主星の金属量を計測木星型惑星は金属量が大きい星に多い地球型惑星は場所に寄らない銀河系の場所によっても惑星系の様子がことなる金属量惑星半径 23

24 ケンタウルス座アルファ地球から最も近い恒星系 (3 重連星系 ) B 星に惑星の存在を確認 Nature(October 2012) 系外惑星研究の将来地球型惑星の検出ハビタブルゾーンの惑星検出惑星大気の検出バイオマーカー検出そして宇宙生物学? SETI? 24

地球外知的生命体からの電波を捉えることを目的とする ( 現在建設中一部稼動中 ) 名前は寄付者の Paul

25 SETI の例 : ATA (Allen Telescope Array) SETI ( 地球外知的生命体探査 ) 用の望遠鏡米国の SETI 研究所と UC バークレーが運用主体口径 6m のアンテナを 350 台建設し地球外知的生命体からの電波を捉えることを目的とする ( 現在建設中一部稼動中 ) 名前は寄付者の Paul Allen (Microsoft 設立者 ) にちなむ成果はもちろんまだしかし本気で SETI をやっている! 25

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Microsoft PowerPoint - komaba ppt 宇宙科学 II ( 電波天文学 ) 第 11 回パルサー前回の復習 1 10 0 10 3 10 6 10 9 10 12 10 15 10 18 10 21 10 24 10 27 単位 (m) 人間太陽近傍の恒星地球太陽太陽系銀河系銀河銀河団宇宙の果宇宙の階層構造ログスケールで表示した宇宙の大きさブラックホールの想像図てブラックホールの想像図銀河中心ブラックホール連星系ブラックホール