トランジット惑星系の主星自転惑星軌道公転角トランジット惑星系の自転公転射影角の分布極軌道 Configuration of star-planet system 逆行順行理学講義棟 Z 年 1 月 29

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さあしゃほうねん
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1 トランジット惑星系の主星自転惑星軌道公転角トランジット惑星系の自転公転射影角の分布極軌道 Configuration of star-planet system 逆行順行理学講義棟 Z 年 1 月 29 日 16:00-17:00

2 太陽系外惑星発見の歴史年表 1995 年に我々は何も知らなかった事を思い知る Brown dwarf Pulsar planet Pulsar planet 51 Peg ー法法法直接観測

3 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 ) の初検出周期 3.5 日のホットジュピター地上望遠鏡による主星の光度時間変化約 2 時間 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想像図 Henry et al. (1999) Charbonneau et al (2000) Brown et al. (2001)

4 トランジット惑星観測からわかること n 測光観測 n 公転周期惑星半径 ( 主星半径との比 ) 我々の視線に対する公転面軌道傾斜角 n 主星の自転速度 n + 分光観測 n 惑星質量離心率 n spin-orbit 射影角 λ ( 主星自転軸と惑星公転軸のなす角の天球面上への射影 ) n 星振学 (asteroseismology) n 主星の温度半径密度などの精密推定 n 我々の視線に対する主星自転軸傾斜角

5 主星惑星観測者の位置関係 Benomar et al. 2014, PASJ 66, 9421, arxiv: Lund et al. 2014, AA 570, A54 arxiv:

ロシター効果と惑星公転軸 n n n n 中心星の自転のため星の線スペクトルの形は波長に関して左右対称に広がっているしかしトランジット惑星が同じ向き ( 左から右 ) に通過すると n n 中心星の近づく面を隠してから遠ざかる面を隠す星はまず遠ざかりその後近づくように見える一方逆周り ( 右から左 ) の場合には n n 中心星の遠ざかる面を隠してから近づく面を隠す星は

6 ロシター効果と惑星公転軸 n n n n 中心星の自転のため星の線スペクトルの形は波長に関して左右対称に広がっているしかしトランジット惑星が同じ向き ( 左から右 ) に通過すると n n 中心星の近づく面を隠してから遠ざかる面を隠す星はまず遠ざかりその後近づくように見える一方逆周り ( 右から左 ) の場合には n n 中心星の遠ざかる面を隠してから近づく面を隠す星はまず近づきその後遠ざかるように見えるこの結果線スペクトルの形に非対称性が生まれる n n この波長のズレを精密に観測すれば惑星が右回りか左回りかがわかるさら詳しく解析すると惑星の公転面の傾きの角度までわかる! 近づく側自転軸波長星の輝線プロファイル遠ざかる側 1924 年食連星こと座ベータ星の速度データの解析に際してロシターが発見した R.A. Rossiter: ApJ 60(1924)15

7 Ohta, Taruya & Suto: ApJ 622(2005)1118 主星自転軸と惑星公転軸のずれは系外惑星の起源と進化を探る重要な手がかり

ロシター効果@wikipedia 13/06/05 13/06/05 - Wikipedia

8 13/06/05 13/06/05 - Wikipedia 13/06/05 - Wikipedia Rossiter McLaughlin effect - Wikipedia, the free encyclopedia ja.wikipedia.org/wiki/ en.wikipedia.org/wiki/rossiter McLaughlin_effect 1/2 1/2

9 惑星の公転方向とロシター効果の関係予想図星ナビ 2005 年 2 月号正中心星相対速度負公転軸と自転軸が同じ向き公転軸と自転軸が逆向き正中心星相対速度負公転軸自転軸直交 ( 星近面通過 ) 公転軸自転軸直交 ( 星遠面通過 ) ( 遠ざかるように見える ) ( 遠ざかるように見える ) ( 近づくように見える ) ( 近づくように見える )

Measurement of Spin-Orbit Alignment in an Extrasolar

Winn 1, Robert W. Noyes 1, Matthew J. Holman 1, David B.

Turner 2,3, John A. Johnson 4, Geoffrey W. Marcy 4, R.

Vogt 6 n 1 ハーバード大学 2 東京大学 3 プリンストン大学 4 カリフォルニア大学バークレー校 5

10 Measurement of Spin-Orbit Alignment in an Extrasolar Planetary System ( 太陽系外惑星系における自転軸と公転軸の向きの測定 ) n Joshua N. Winn 1, Robert W. Noyes 1, Matthew J. Holman 1, David B. Charbonneau 1, 太田泰弘 2 樽家篤史 2 須藤靖 2 成田憲保 2, Edwin L. Turner 2,3, John A. Johnson 4, Geoffrey W. Marcy 4, R. Paul Butler 5, & Steven S. Vogt 6 n 1 ハーバード大学 2 東京大学 3 プリンストン大学 4 カリフォルニア大学バークレー校 5 ワシントンカーネギー研究所 6 カリフォルニア大学サンタクルス校 n The Astrophysical Journal 631(2005)1215 (10 月 1 日号 ) λ = 4!.4 ±! 1.4

11 逆行する系外惑星 (HAT-P-7) の発見 HAT-P-7 UT 2008 May 30 HAT-P-7 UT 2009 July 1 λ= (+12.6, -21.5) deg. Winn et al. ApJL 703(2009)L99 Narita et al. PASJ 61(2009)L35 λ= ±9.4 deg. n ハワイでの成果 n でも逆行軌道の惑星なんてどうやったら出来るの???

12 私的先入観の時間的推移 (1) n 2005 年 : (Ohta et al., Winn et al.) n 惑星公転軸と主星自転軸とは当然平行のはず n 2009 年 : 多くの misaligned 惑星発見 ( ただし実質的に単独のホットジュピターのみ ) n 惑星間の重力散乱が悪さをしているのでは? n 外側で誕生したガス惑星が他の惑星との重力散乱の結果内側に落ちる ( 放出されるものもある ) n 軌道は一般に高離心率傾斜角も大きい n その後主星との潮汐相互作用を通じて順行 ( 一部は逆行 ) 軌道へ近づく

13 代表的な惑星移動シナリオ n Type I migration n Low-mass planet - spiral wave in the gas disk n Type II migration n High-mass planet - gap in the disk n Gravitation scattering n Planet - planet Simulation by Phil Armitage

14 惑星間重力散乱 + 主星惑星潮汐作用 = 円軌道のホットジュピター + 遠方の高離心率軌道の惑星 l 原始惑星系円盤 l ダスト沈殿成長 l 微惑星形成合体 l 円軌道の原始惑星 l ガス降着によるガス惑星の誕生太陽系形成標準モデル ( 京都モデル林モデル ) l 重力少数多体系 l カオス的力学進化 l 近接散乱 l 軌道交差 l 惑星放出 l 古在機構 l 主星自転軸と惑星公転軸のずれ l 主星惑星潮汐作用 l 軌道収縮 l 円軌道化 l ホットジュピターの誕生

15 h, e, I [rad] a, q [AU] 惑星重力散乱 I e Time [Year] 外の惑星が中の惑星を摂動的に進化させる ( 古在機構 ) 主星と惑星の潮汐相互作用 3つのうち1つが放出される q 1 Kozai Cycle h 3 惑星系の数値計算例古在機構の保存量 Tidal circularization after the Kozai cycle Xue et al. (2013)

16 主星と惑星の潮汐相互作用散逸 [Degree] 主星自転軸と惑星公転軸のなす角度主星自転軸 S0 K0 Spin-orbit angle 主星の自転軸と惑星の公転軸の向きの時間発展計算例順行軌道がもっとも安定だが逆行軌道に向かう場合もある極軌道 ( 直交 ) も一時的には安定となるがやがて順行か逆行に落ち着く 20 惑星公転軸 0 0 5e+06 1e e+07 2e e+07 3e e+07 4e e+07 Time [Year] Xue et al. (2013) 主星と惑星の角運動量の大きさの比を変化させたときの主星の自転軸と惑星の公転軸のなす角度の時間発展計算例 Spin-Orbit angle 低速自転星逆行主星自転軸と惑星公転軸のなす角度 S/L=2 S/L=0.1 高速自転星順行 T 10

17 ET(equilibrium -de) モデルの問題点 a [AU] Θ [Degree] Ω s /Ω s,ini Xue et al. (2013) 0 ȧ+. s +. S/L=2.0 S/L=0.1 ET model t/τ e,ini Full set ET model t/τ e,ini Spin-orbit angle と軌道長半径はほぼ同じ decay time をもつ潮汐作用で再び平行になった系は観測できない?

18 Lai(2012) による潮汐 model a [AU] Θ [Degree] Ω s /Ω s,ini ȧ+. s +. Lai model lai / e = t/τ lai,ini Xue et al. (2013) Full set Lai model lai / e = t/τ lai,ini Equilibrium 5de に加えて対流層の慣性波との相互作用を考慮これは軌道長半径の進化には寄与しない l 順行逆行極軌道の 3 つが準安定 l 最終的には ET の効果で順行軌道へ

19 この仮説から予想されるホットジュピター n 外側で誕生したガス惑星が少数多体系の重力散乱で内側に落ちる n 軌道は一般に高離心率傾斜角も大きい n 主星自転軸とも惑星公転軸は大きくずれているがその後の潮汐相互作用を通じて順行 ( あるいは一部は逆行 ) 軌道へ近づいて行く n 太陽系は強い重力散乱を経験していないためホットジュピターはなく惑星の公転軸と太陽の自転軸はすべてほぼ平行のまま

20 私的先入観の時間的推移 (2) n 2010 年 n 太陽系のように公転面をほぼ共有する複数惑星系では惑星間の重力散乱が効いたとは思えない n 実際太陽系では太陽の自転軸と惑星の公転軸は 5 6 度の範囲でほぼ揃っている n とすれば複数トランジット惑星系 ( 公転面がほぼ同じ ) の λ はほぼ 0 のはずすばるで観測して確認しようじゃないか! (Hirano et al.)

21 多重トランジット惑星系 KOI-94: 惑星食の初検出 KOI-94b KOI-94c KOI-94d KOI-94e KOI-94 P=3.7d P=10.4d P=22.3d P=54.3d (1.6R earth )(3.8R earth ) (11R earth ) (6.2R earth ) n すばる観測前にケプラー衛星測光データを確認中初めての惑星食を偶然発見 n すばる望遠鏡のロシター効果観測で主星自転軸と惑星公転軸がほぼ揃っている事を発見 Hirano et al. ApJL 759 (2012)L36

22 KOI-94: ロシター効果と惑星食ケプラー測光データ 2010 年 1 月 15 日すばる分光データ 2012 年 8 月 10 日 n 惑星食の確率は極めて低いのでこれが最初で最後の例かも? n 地球からみて金星と水星が同時に太陽面を通過 ( トランジット ) するのは西暦年 7 月 26 日と西暦年 3 月 27 日だけらしいしかもこれは単なる同時トランジットで惑星食ではない

23 私的先入観の時間的推移 (3) n 2012 年 (Hirano et al., Masuda et al.) n 複数トランジット惑星系で初めてロシター効果が観測された KOI-94 は λ= で予想通り確かにほぼ平行だった n ついでに惑星食を発見その後の増田君による詳細な解析が認められて惑星系候補 KOI-94 は惑星系 Kepler-89 として承認された ( 多分日本人で Kepler 番号を確定させたのは初めて ) n めでたしめでたし (?)

25 主星自転軸と惑星公転軸のまとめ ( 天球上の射影角なので 3 次元角度ではない ) 極軌道逆行順行 2013 年 6 月時点で RM 効果が測定されたトランジット惑星 70 個中 29 個が π/8 以上の有意なずれうち 8 個が極軌道 7 個が逆行軌道 Xue et al. (2014)

26 私的先入観の時間的推移 (4) n 2013 年 (Huber et al. Science 342, 331) n Kepler-56 = red giant (1.3M s, 4.3R s ) day and 20.4day planets n Asteroseismology 解析の結果主星の自転軸が 47±6 度傾いていることがわかった n 惑星公転軸と主星自転軸も同程度ずれているはず n 複数トランジット惑星系でも spin-orbit 角は有意に 0 からずれている!?

27 私的先入観の時間的推移 (5) n 2014 年 (Benomar, Masuda, Shibahashi+YS) n 中心星が主系列星の場合を知りたい n Asteroseismology をやってみたい n Kepler-25 = F-type star (1.2M s, 1.4R s ) + 6.2day and 12.7day transiting planets+ 123day non-transiting planet n Kepler-25c: λ=7 ±8-0.5 ±5.7 の 2 つの以前の観測結果はいずれも 0 と一致 n λ ではなく 3 次元的な spin-orbit 角を知りたい ( 逆行惑星と考えられている HAT-P-7 も )

28 主星惑星観測者の位置関係 Benomar et al. 2014, PASJ 66, 9421, arxiv: Lund et al. 2014, AA 570, A54 arxiv:

29 Non-radial oscillations Y lm (θ,φ) (spherical degree l=1) azimuthal order m=-1 m=0 m=+1

30 Non-radial oscillations Y lm (θ,φ) (spherical degree l=2) m=-1 m=+1 m=0 m=-2 m=+2

31 Stellar inclination (l=3) m=±3 m=±2 m=±1 m=0 i s T.L. Campante, arxiv:

32 Power spectra of l=1 and 2 modes Gizon & Solanki, ApJ 589 (2003)1009

33 Power spectra of Kepler-25 Benomar et al. 2014, PASJ 66, 9421, arxiv:

34 Kepler-25 と HAT-P-7 の spin-orbit 角 n Kepler-25 (2 重トランジット惑星系 ) n 主星自転傾斜角 i s = n 射影角 λ=9.4 ±7.1 n 3 次元角 ψ= n HAT-P-7 ( 逆行惑星候補 ) n 主星自転傾斜角 i s = n 射影角 λ= n 3 次元角 ψ= Benomar et al. 2014, PASJ 66, 9421, arxiv:

35 結論 : 結局よくわからない n Nature vs. Nurture の一例? n 初期条件 : 共通の原始惑星系円盤から誕生した主星と惑星は同じ向きに回っているはずじゃなかったの? n Eve Ostriker@Princeton そんなこと誰が言った!? n 力学的進化 n 主星の誕生 n 主星円盤相互作用 n 惑星の誕生 n 惑星間の重力散乱 n 主星惑星の潮汐相互作用 n 数値シミュレーション理論モデル観測提案データ解析でやるべきことがいっぱい残っている

太陽系外惑星とバイオマーカー物理学教室金曜ランチトーク 2010 年 6 月 11 日須藤靖

太陽系外惑星とバイオマーカー物理学教室金曜ランチトーク 2010 年 6 月 11 日須藤靖太陽系外惑星とバイオマーカー物理学教室金曜ランチトーク 2010 年 6 月 11 日須藤靖 http://www-utap.phys.s.u-tokyo.ac.jp/~suto/mypresentation_2010j.html アイザックアシモフ著夜来る恐ろしい暗闇が訪れた我々は宇宙の中心我々は何も知らなかったイラスト : 羽馬有紗 2000 年に一度しか夜が来ない地球の人たち

トランジット惑星系の主星自転 惑星軌道公転角 トランジット惑星系の自転公転射影角の分布 極軌道 Configuration of star-planet system 逆行 順行 理学講義棟 Z 年 1 月 29

トランジット惑星系の主星自転惑星軌道公転角トランジット惑星系の自転公転射影角の分布極軌道 Configuration of star-planet system 逆行順行理学講義棟 Z 年 1 月 29