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あきみうなだ
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1 ペイルブルードットの本当の色東京大学大学院理学系研究科物理学専攻須藤靖 2012 年 11 月 26 日高知工科大学現代科学の最先端第 11 回

2 n 我々の世界はどうなっているのかイラスト : 羽馬有紗天文学の目標 : 夜空のムコウの世界を探る古代エジプト仏教古代インド n 直接役に立つわけではなくとも人生を豊かにしてくれる invaluable な疑問に挑戦する n 宇宙は何からできているか?( 宇宙論 ) n もう一つの地球はあるか?( 太陽系外惑星 ) n 生命はいかにして誕生したのか?( 宇宙生物学 ) 2

3 Astro2010: decadal survey n Cosmic Dawn n 宇宙の夜明け : 第一世代天体ブラックホールの探索 n New Worlds n 新世界 : 近傍の居住可能惑星の探索 n Physics of the Universe n 宇宙の物理 : 宇宙を支配する科学法則の理解 August 13,

4 もうひとつの宇宙の果て : 銀河系のどこかに生命を宿した惑星はあるのか? n 宇宙の果てと太陽系外惑星 n 大望遠鏡は暗い天体を観測できる n 本当は明るいのだが遠くにあり暗く見える天体宇宙の果てにある銀河 n すぐ近くにあるのだが本当に暗い天体銀河内にある系外惑星

5 太陽系惑星のおさらい n 岩石惑星 : 地球火星金星水星 n ガス惑星 : 木星土星 n 氷惑星 : 天王星海王星 n 準惑星 / 太陽系外縁天体 : 冥王星など n 太陽は惑星ではなく恒星 ( 星 ) n n 核融合で自らエネルギーを生成惑星星 (planet star) 大きさの関係実際の距離関係

6 ボイジャー 1 号による太陽系内惑星撮像 n 1990 年 2 月 14 n カールセーガンが地球の画像を Pale Blue Dot と命名

7 ペイルブルードット

8 太陽系惑星から太陽外惑星へ n かつての世界 = 太陽系 : 水金地火木土 n 哲学的世界観 n この宇宙とよく似た宇宙も全く異なる宇宙も無限に存在 ( エピキュラス : 紀元前 341 年 ~270 年 ) n 我々以外の宇宙は存在し得ない ( アリストテレス : 紀元前 384 年 ~322 年 ) n 宇宙は無限であり太陽系以外にも無数の惑星がある ( ジョルダーノブルーノ : その罪で火刑 ) n わが太陽系の拡大 n 1781 年 : 天王星の発見 n 1846 年 : 海王星の発見 n 天王星の観測 + ニュートン力学によって予測され発見 n 1930 年 : 冥王星の発見 n 海王星の観測 + ニュートン力学によって予測され発見されたのだが実は海王星の観測データの解釈が間違っていたため偶然の発見であると考えられているらしい n 1995 年 : 初めての太陽系外惑星の発見

9 太陽系外惑星発見史 n 1963 年バーナード星に惑星を発見!( ピーターバンデカンプ ) と報告したが後に間違いとわかる n 1995 年 8 月 : カナダのゴードンウォーカーのグループが12 年にもわたる観測の結果 21 個の恒星のまわりに巨大惑星は存在しないことを発表 n 1995 年 10 月 : スイスのミシェルメイヨールとその学生デディエケロズが太陽に似た恒星ペガスス座 51 番星を周期 4 日で公転している巨大惑星を発見 n 前年 4 月に新装置で探査開始したばかり! n 直後に過去 7 年惑星探査を続けていたアメリカのジェフマーシーとポールバトラーらがこのデータを確認 n 2012 年 6 月 16 日時点で 776 個の系外惑星

10 太陽系外惑星の発見年表 1995 年 : 我々は何も知らなかったことを思い知る褐色矮星ー惑星ー惑星座 51 番星 2012 年 6 月 16 日時点

11 惑星は直接見えるか? 30 光年先から観測した木星明るさ : 27 等級 ( 可視域 ) 主星との角距離 : 0.5 秒角太陽地上から観測できる分解能の大きさ内で 9 桁も明るい主星の隣にある 27 等級の暗い天体を検出するほとんど不可能 ( だった : 後述 ) 0.5 arcsec 10-9 木星

12 ではどうやって見つけたのか? rhocrb-orbit.mpg n ドップラー法 n 中心星の速度が毎秒数十メートル程度周期的に変動 ( ニュートン力学 ) n トランジット法 n ( 運がよければ ) 中心星の正面を惑星が横切ることで星の明るさが 1 パーセント程度周期的に暗くなる

13 ぺガスス座 51 番星 : 初めての太陽系外惑星 (1995 年発表 ) わずか4.2 日で一周! ミッシェルメイヨール

14 初めてのトランジット惑星 HD209458b n 速度変動のデータに合わせた惑星による主星の掩蔽 ( 可視光 ) の初検出地上望遠鏡による主星の光度時間変化約 2 時間速度曲線時速 360 キロメートル周期 3.5 日 1.5% だけ暗くなったハッブル宇宙望遠鏡による主星の光度時間変化地上望遠鏡による主星の速度時間変化 Henry et al. (1999), Charbonneau et al (2000) Brown et al. (2001)

15 惑星を直接撮像することも可能になり始めてきた ( 国立天文台田村元秀氏ら ) l こと座の方向 l 距離 :50 光年 l G9 型恒星 l 可視光で 6 等星 l 質量 :0.97 太陽質量 l 明るい中心星の影響を抑える観測およびデータ解析法を駆使中心付近の白黒の斑点は除去しきれないノイズ ( スペックルノイズ ) 惑星の放つ熱が波長 1.6 ミクロンの赤外線として見えている ( 反射光ではない ) また白が明るく黒が暗い意味の色 ( 実際の色ではない )

16 発見された系外惑星 ( 候補 ) の統計検出法惑星惑星系多重惑星系ドップラー法トランジット法重力レンズ直接撮像 ( 褐色矮星 ) パルサータイミング総計年 6 月 16 日時点

17 ケプラー衛星 ( 米国 2009 年 3 月 6 日打ち上げ ) トランジット ( 食を起こす ) 惑星の測光サーベイ地球型ハビタブル惑星の発見をめざす

18 2010 年 6 月時点での惑星候補 Jun 2010 惑星半径 / 地球半径公転周期 ( 日 ) Presentation by Natalie Batalha, Kepler Deputy Science Team Lead

19 2011 年 12 月時点での惑星候補 Jun 2010 Feb 2011 Dec 2011 惑星半径 / 地球半径公転周期 ( 日 ) Presentation by Natalie Batalha, Kepler Deputy Science Team Lead

20 惑星候補の大きさのヒストグラム 1181 (+78%) 海王星程度スーパーアース程度 680 (+136%) 地球程度 207 (+204%) 木星程度 203 (+23%) 27 (+42%) スーパー木星程度 Presentation by Natalie Batalha, Kepler Deputy Science Team Lead

21 太陽系外の複数惑星系における惑星同士の食を初めて発見平野照幸, 増田賢人, 須藤靖 ( 東大理 ), 成田憲保, 高橋安大, 竹田洋一, 青木和光田村元秀 ( 国立天文台 ), 佐藤文衛 ( 東工大理 ) 2012 年 11 月 13 日 14:00-15:00 東京大学理学部一号館 338 号室

今回観測した複数惑星系 KOI-94 : ケプラー望遠鏡の発見した惑星系候補の94 番目 ( 地球から約 2000 光年 ) 惑星候補公転周期惑星半径 KOI-94.01 22.3 日 0.92 木星半径 KOI-94.02 10.4 日 0.34 木星半径 KOI-94.03 54.3 日 0.54 木星半径 KOI-94.

22 今回観測した複数惑星系 KOI-94 : ケプラー望遠鏡の発見した惑星系候補の94 番目 ( 地球から約 2000 光年 ) 惑星候補公転周期惑星半径 KOI 日 0.92 木星半径 KOI 日 0.34 木星半径 KOI 日 0.54 木星半径 KOI 日 0.14 木星半径 1. 複数の巨大惑星が短周期で ( 中心星に近いところを ) 公転しかつそれらがトランジットしている珍しい例 2. 太陽系とは全く異なっており, その起源が興味深い 3. 惑星同士の公転面や中心星の自転軸はどのような関係になっているのか?

23 ダブルトランジット + 惑星同士の食データを再現する順行軌道 δ = の場合 (2 つの公転面が揃っている ) 観測結果と最もよく一致

24 ケプラー公開データと我々のすばる観測データを組み合わせて分かった事

25 系外惑星 : 今後の展望 n 巨大ガス惑星発見の時代 (1995) n 惑星大気の発見 (2001) n 惑星赤外線輻射の検出 (2005) n 惑星可視域反射光の検出 (2009) n 地球型居住可能惑星の発見 n 系外惑星リング衛星の発見 n 地球型惑星の直接検出 ( 測光 & 分光 ) n バイオマーカー ( 生物存在の証拠 ) の同定 n 地球外生命の発見

26 ハビタブルゾーンにある惑星候補ハビタブルゾーン : 惑星の温度が適度で水が液体として存在できる領域主として中心星の明るさと距離惑星の反射率などで決まる

27 フェルミの疑問 ( フェルミのパラドクス ) n Where are they? n 1950 年ロスアラモス研究所の昼食時にエンリコフェルミが問いかけたとされている

28 地球型惑星探査プロポーザル : The New Worlds Mission 中心星オカルター ( 遮蔽板 ) 惑星観測衛星 n 口径 (2 4)m 点 n 7 万 km 先に中心星を隠すオカルター衛星をおく n 望遠鏡にはその星の周りの惑星からに光のみが届く n 惑星の分光測光モニターからのバイオマーカー検出 n コロラド大学を中心とした米国と英国の共同計画 n 同様の計画はプリンストン大学でも検討中 (O 3 )

29 O 3 : The Occulting Ozone Observatory n Princeton+JPL+

30 大気中のバイオマーカー

常識的バイオマーカー ( 生物存在の証拠 ) 地球照の観測データ ( 可視域 ) Woolf & Smith (2002) 波長 [Å] n 酸素 n A バンド @0.76μm n B バンド @0.69μm n 水 n 0.72, 0.82, 0.

31 常識的バイオマーカー ( 生物存在の証拠 ) 地球照の観測データ ( 可視域 ) Woolf & Smith (2002) 波長 [Å] n 酸素 n A n B n 水 n 0.72, 0.82, 0.94μm n オゾン n Chappuis n Hartley Kasting et al. arxiv: Exoplanet characterization and the search for life

32 より過激 ( 保守的?) なバイオマーカー Extrasolar plants on extrasolar planets n ( 居住可能 ) 地球型惑星を発見するだけではそこに生命があるかどうかはわからない n Biomarker の探求 n 酸素オゾン水の吸収線 n 植物の red edge n 地球のリモートセンシングではすでに確立 Seager, Turner, Schafer & Ford: astro-ph/ 反射率葉緑素落葉樹の葉本当は真っ赤葉緑素波長 [ ミクロン ]

33 バイオマーカー n 何をもってバイオマーカーとするのかは曖昧 n 生物由来と考えられる大気成分 ( 酸素オゾンメタン ) の分光観測 n 植物のレッドエッジの測光観測 n 知的生命体からの信号の電波観測 n 地球外での生命を生み出す環境とそれに対応した生物の多様性をどこまで認めるか n いずれにせよ検出は天文学観測しかない n 天文学で検出可能な限界は何か n どのような検出器望遠鏡を作るべきか

34 系外惑星上植物色? 古い M 型星若い M 型星 G 型星 F 型星

35 第二の地球の色から海雲植生の占める面積の割合を推定する n 東京大学大学院理学系研究科物理学専攻 n 藤井友香河原創樽家篤史須藤靖 n 東京大学気候システム研究センター n 福田悟中島映至 n プリンストン大学 n Edwin Turner Fujii et al. Astrophys. J. 715(2010)866, arxiv: Astrophys. J. 738(2011)184, arxiv:

A pale blue dot 地球は青かった? 自転に伴う反射光の色の時間変動のシミュレーション 0.08 0.

7-0.8[μm] 波長 0.6-0.7[μm] アメリカ大陸波長 0.4-0.5[μm] n 春分 (3 月 ) 0.

36 A pale blue dot 地球は青かった? 自転に伴う反射光の色の時間変動のシミュレーション反射率 100% の場合で規格化した反射光ユーラシア大陸アフリカ大陸波長 [μm] 波長 [μm] 波長 [μm] アメリカ大陸波長 [μm] n 春分 (3 月 ) 時刻 [hour] n 自転軸に垂直な方向から観測 Fujii et al. (2010) n 地球観測衛星のデータを用いて計算

37 第二の地球の色から表面積を推定 ( 重表面積比 ) 系外惑星リモートセンシング Fujii et al. (2010) n 雲が存在せずかつ中心星の光が完全にブロックできた場合 n 10pc 先の地球を口径 4m の宇宙望遠鏡で1 週間観測 n レイリー散乱の一次近似 n 海土植物雪の4つの成分の面積比を推定 n 結構イケテル!

38 Earth observing satellite Trace (Transition Region and Coronal Explorer) + detector Modis (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)

39 模擬光度曲線と地球観測データの比較 ( 雲あり )

40 逆問題 : 地球の成分ごとの面積の推定 n EPOXI データを簡単化されたモデル ( 等方散乱で近似した海土植物雪雲の 5 成分 ) でフィットして成分ごとの面積を推定する n 系外惑星の場合には中心星の光がブロックされた極度に理想的な観測に対応 ( 可能性の限界 ) n 各観測中の自転や公転の効果は無視 n 雲についてはある光学的厚さτ( 今回は10とする ) の単一モデルを想定 n 大気も米国標準大気と呼ばれる組成圧力温度プロファイルを仮定

41 等方散乱近似での反射スペクトル反射率 ( ) 雪大気の効果を考慮した場合植物海土 (A) 土 (B) 波長 [ ミクロン ]

42 雲の反射スペクトル : モデル依存性

43 EPOXI データから推定された面積

44 地球測光観測データから推定された地表面成分の経度分布地図海植生雲土雪

45 太陽系外惑星 : まとめ n 1995 年に天文学が世界観を大きく広げた n 今や惑星系は固有名詞ではなく普通名詞 n 惑星系の存在は普遍的だが性質は多種多様 n 太陽に似た恒星の 30 パーセント以上は惑星を持つ n 太陽系と似た系もかけ離れた系も存在する n 宇宙における生命の起源とその普遍性という究極の問いに科学的立場から答えられる日が来る可能性もある n 第 2 の地球の発見をめざして数多くの観測が実行中計画中

46 予想もできない展開が待っているはず n 最初に起こるのはどれだろう n 地球外生物の痕跡の天文学的検出 n 実験室での人工生物の誕生 n 地球外文明からの交信の検出 n 地球文明の破滅 ( いったん発達した文明は疫病核戦争資源の枯渇などの要因で不安定 ) n 交信できるレベルまで安定に持続した地球外文明の有無を知ることは我々の未来を知ることに等しい

47 太陽系外惑星 : そのさきにあるもの天文学から宇宙生物学へ n 地球型惑星の発見 n 居住可能 ( ハビタブル ) 惑星の発見 n 水が液体として存在する地球型惑星 n バイオマーカーの提案と検出 n 酸素水オゾン植物核爆発 n 超精密分光観測の成否が鍵! n 惑星の放射反射吸収スペクトルを中心星から分離する n 直接見に行くことができない系外惑星の表面組成分布を天文観測だけでどこまで推定できるか n 植物の有無を通じて宇宙生物学に至る一つの道

4 太陽系外惑星の世界 (Credit: Zina Deretsky, アメリカ国立科学財団 )

4 太陽系外惑星の世界 (Credit: Zina Deretsky, アメリカ国立科学財団 ) もうひとつの宇宙の果て : 銀河系のどこかに生命を宿した惑星はあるのか? 宇宙の果てと太陽系外惑星大望遠鏡は暗い天体を観測できる本当は明るいのだが遠くにあり暗く見える天体宇宙の果てにある銀河すぐ近くにあるのだが本当に暗い天体銀河内にある系外惑星太陽系外惑星とは? 水金地火木土 ( 天海冥