1 - 光赤外研究部

Report
IRSF/SIRIUSによる
スーパーアースGJ1214bの大気観測
成田憲保(国立天文台)
永山貴宏(名大)、末永拓也(総研大)、福井暁彦(岡山観測所)、
生駒大洋(東大)、中島康、西山正吾、田村元秀(国立天文台)
目次
• 背景
• 近赤外高精度測光の方法
• GJ1214について
• 観測結果とモデルの比較
トランジット惑星の大気観測
• 系外惑星のトランジットの深さは惑星大気の組成に依存する
– 特に近赤外では分子大気組成に依存
– 多波長トランジット観測によって惑星大気の組成を推定できる
– サイズの小さい低温度星のまわりに地球サイズの数倍程度の
惑星(スーパーアース)がトランジットで発見されてきている
– スーパーアースの大気組成の観測はようやく可能になった新し
いサイエンス(これまではホットジュピターのみ)
• これらの研究を行うにはmmagレベルの高精度測光が必要
– しかし現実には近赤外の高精度測光は難しかった
なぜ近赤外高精度測光は難しいか?
赤外検出器は感度むらが大きい上に、フラット光源がそれほど一様でない
フラットの不完全性
大局的(~1000pixel)には1%弱、局所的(~10pixel)でも0.1%程度
(岡山ISLEでの試験観測より)
バッドピクセル
赤外検出器はバッドピクセルが多い(図はIRSFのバッドピクセルマップ)
近赤外高精度測光の方法
• フラットが完全でないなら、ターゲットを検出器上で動かさない
ようにすればよい
• バッドピクセルが多くてもそこにターゲットを乗せなければよい
• さらにフォトンをたくさん稼ぐため、また線形性の良いカウント
で観測するために、ターゲットをデフォーカスすればよい
ターゲットを検出器上で固定するには
• オートガイダーがあれば一番楽
• もしオートガイダーがない場合は、星像が動いた時に望遠鏡
にフィードバックをかければよい
– 重心位置が数ピクセル以上移動したらフィードバックをかける
– トラッキング精度が悪いとフィードバックの回数が増えて時間の
ロスが増えるが、フラットの不完全性のノイズをひろってしまう
よりはよい
岡山ISLEでの試行錯誤(2009~)
先ほどの方法を踏まえてオートガイダーで観測
岡山/ISLEのJバンド測光観測
J<10の天体で~0.1%の測光精度を安定的に達成
IRSFの場合
• オートガイダーがないため、位置固定ソフトが2011年に導入
された
– これによって初めて高精度測光観測が可能に
• 多波長トランジット観測による惑星大気の観測
– トランジットの深さは特に近赤外では分子大気組成に依存
– 多波長の近赤外トランジット観測によって、惑星大気の組成を
推定できる -> IRSFの3色同時の機能は非常に魅力的
最初のターゲット:GJ1214b
• 初めて発見された低温度星(M4.5V)まわりをトランジットする
スーパーアース (Charbonneau et al. 2009)
• 惑星半径:~2.7REarth, 惑星質量:~6,55MEarth
• 主星が~0.2RSun程度と小さいため、スーパーアースでも1%以
上の減光を起こす
• 大気組成を調べることができる初めてのスーパーアース
• 太陽系近傍の13pcの距離にあり、V=14.67, J=9.75, H=9.09,
Ks=8.78 と近赤外で明るい
先行研究
de Mooij et al. (2012)
これまでの観測から、ほぼ水蒸気の大気(青線)か、金属量が低く
メタンが欠乏した水素大気(赤線)かにモデルが絞られた
IRSF/SIRIUSのJHKs同時測光観測
mag
mag
-15.47
-15.46
-15.45
-15.44
-15.43
-15.42
-15.41
-15.4
-15.39
time (SAST)
GJ1214
ref star +0.01 mag
-15.38
20:30 20:45 21:00 21:15 21:30 21:45 22:00 22:15 22:30 22:45 23:00 23:15 23:30
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
0.035
GJ1214 - ref star
0.04
20:30 20:45 21:00 21:15 21:30 21:45 22:00 22:15 22:30 22:45 23:00 23:15 23:30
time (SAST)
永山さんによるほぼリアルタイム解析の結果
上:参照星とターゲットの等級、下:相対等級
トランジット外の補正
• 生のライトカーブは主星・参照
星の変光やエアマスの影響な
どで若干時間変化している
• 星の位置の変動が小さければ
線形でもよく補正できる
• 右はJバンドのライトカーブ
• k0 + kt*t + kz*z + kx*dx + ky*dy
補正後のライトカーブ
GJ1214bのJHKsバンドで0.124,0.125,0.155%の測光精度を達成
他の観測結果との比較
Bean+ 2011
de Mooij+ 2012
Berta+ 2012
Desert 2011
Croll+ 2011
this work
JHは他の観測とよく一致し、KsはCrollらの主張より浅くBeanらと一致
IRSFの観測でわかったこと
• JHKsでほぼフラットな透過光スペクトルを確認
• Croll et al. (2011)が主張したKsバンドでの深いトランジットは
見られなかった
• 現在のエラーの範囲では水蒸気大気のモデルと、厚い雲が
ある水素大気のモデルと合い、雲がない水素大気のモデル
とは合わない
• 繰り返しの観測で制限を強める or 青い領域を観測すること
でさらに大気モデルの判別が可能になる
• NN et al., to be submitted this week
今後の課題
• GJ1214のような面白い惑星系を自分たちの手で発
見して、惑星大気の観測まで行いたい
• 特に、太陽系に近い惑星系でのトランジットを起こす
スーパーアースを探したい
岡山観測所ISLEでの
新しいトランジット惑星の探索
成田憲保(国立天文台)
福井暁彦(岡山観測所)、平野照幸(東大)、
末永拓也(総研大)、高橋安大(東大)、大貫裕史(東工大)、
Eric Gaidos, Emily Chang(ハワイ大)
低温度星まわりのトランジット惑星
太陽系近傍(J<10)でこれまでに発見されたのは
• GJ436:視線速度で発見後にトランジットを発見
• GJ1214:サーベイグループMEarthによる発見
の2つのみ
 1つの新たな惑星発見にも大きな意味がある
 目標:J<10のmiddle K-M型星でスーパーアース発見
 すばるIRDの目標はJ<10で1m/sの精度 -> RV追観測が可能
トランジット惑星探しの方法
• 定期的な星の減光現象を発見する
• 惑星以外の偽検出を取り除く
• 惑星の半径、質量、軌道を決定する
トランジット惑星と偽検出(cf. 天文月報)
トランジット惑星
二重星の一方に
トランジット惑星
grazing eclipsing binary
二重星の一方が
食連星
本トランジット惑星探しの全体の流れ
1. SuperWASPアーカイブから選定したトランジット惑星候補に
対して、岡山のISLEを用いて高精度測光観測を行い、その
減光形状から惑星以外の現象を排除する
2. 1をパスした候補について、すばる望遠鏡のHiCIAOやIRCSを
用いて高空間分解能な撮像観測を行い、背景星の混入が
ないかどうかを調べる
3. 1をパスした候補について、すばる望遠鏡のHDSやIRDを用
いて視線速度測定を行い、減光周期に同期した視線速度
変動を調べる
研究準備状況:ターゲットの選定
地上可視トランジットサーベイSuperWASPのアーカイブデータを利用
周期解析により折りたたんだ光度曲線
周期的減光の検出レベル
トランジット期間内の
データ点数 Ntr
測光精度σ
減光率δ
減光率と主星・惑星半径の関係
日本で観測可能な S/N>6 or Δχ2>50 の低温度星を50個程度選定
今後これらの減光現象を高精度測光で確認し、惑星か食連星かを判別したい
11B-12Aの観測結果
• 25夜の割当のうち、8夜の晴天夜
– 岡山の統計的な晴天夜の割合と同程度
• 6つのターゲットを観測
– 12Bのターゲットとは重複しない
– 何度か観測したターゲットがあるため8つではない
• 5つはSuperWASPデータの偽検出と判別
惑星の可能性を排除できなかった候補
1.008
1.006
1.004
Relative flux
1.002
1
0.998
0.996
0.994
0.992
0.16
0.18
0.2
0.22
0.24
0.26
0.28
0.3
0.32
0.34
JD-2455985
1つの候補で惑星と矛盾しない0.17%の減光を検出
ただし、2度目の高精度測光観測ができていない
(4-6月が観測時期!)
研究準備状況:直接撮像観測
先ほどの候補に対しては5月にすばるで直接撮像観測を行い、
減光を起こしうる背景星の混入はないことを確認した
研究準備状況:HDSでの視線速度測定
-44
-46
RV [m/s]
-48
-50
-52
-54
-56
-58
56109
56109.5
56110
56110.5
56111
56111.5
MJD
6月30日から7月2日にHDSでの視線速度観測を実施
~2m/sほどの精度を達成し、食連星ではないことを確認
我々の今後の研究計画
• 2014年頃のIRD稼働前→新しいトランジット惑星の探索
– 地上や宇宙トランジットサーベイのアーカイブをもとに候補を選定し、
高精度測光観測・直接撮像観測・視線速度測定によって本物の低
温度星まわりのトランジット惑星を発見する
• IRD稼働後→トランジット惑星の特徴づけ
– 事前に発見した惑星候補の質量と軌道を決定
– 新しいトランジット惑星の詳細な観測を世界に先駆けて行う
まとめ
• 日本で初めての低温度星まわりのトランジット惑星探し
• もし本物のトランジット惑星があった場合に、実際に発見でき
るだけの十分な準備を行っている
多色近赤外広視野カメラへの期待
• 地上からの高精度近赤外測光観測はつい最近可能となった
新しい観測技術で、世界でもまだそれほど普及していない
• 高精度測光観測では参照星の存在が重要->広視野が重要
• 赤外検出器も大型化が進んできた
• 特に1-4mの中口径望遠鏡で広視野の近赤外カメラは世界に
ほとんど存在しておらず、今後早く作ったところがさまざまな
研究を独占できる状況
• 日本の中口径望遠鏡にIRSF/SIRIUS-likeなカメラを期待
低温度星のトランジットサーベイ
他グループとの比較
MEarth
UH
NAOJ
望遠鏡
40cm x 8台
2m FTN/1.3m MDM
188cm
場所
アリゾナ
ハレアカラ/アリゾナ
岡山
観測波長
narrow z
Z/i
J
精度
1台:~3mmag
8台:~1mmag
~1mmag
~1mmag
観測開始年
2008
2010
2011
事前情報
なし
SuperWASP
SuperWASP
年間観測夜数
専用
~10/〜40
~30(一般枠)
~80(プロジェクト)
晴天率
~50%
~50%
~30%
RVフォローアップ
Keck/HIRES
Keck/HIRES
Subaru HDS/IRD
36
見込まれる成果
• 出版可能論文数
– 発見惑星数 x (3〜4本):惑星発見、高精度パラメータの決
定、多波長観測による惑星大気組成、TTV
– 偽検出の統計:2本
– ユニークな偽検出:
– 既知の低温度星まわりのトランジット惑星の追観測:最低
3本(GJ1214, KOI-254, KOI-961)
≧ 発見惑星数 x 4 + ユニークな偽検出数 + 5
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期待するトランジット惑星発見数
• これまでのSuperWASPの観測によると
– 太陽型星では食連星の混入割合は~9割、惑星が~1割
– 食連星の伴星のほとんどは低温度星
– SuperWASPは太陽型星に~70個の木星型惑星を発見しており、太陽
型星に対する統計的な混入確率はある程度信頼できる
– 低温度星に対する混入確率の研究はこれまで行われていないため、
統計的な値は不明(この統計自身も論文化可能)
– 低温度星同士の連星の場合、低温度星はサイズが小さいため、同じ
距離にある連星が食連星になる確率は太陽型星より低い
• 我々が期待する惑星発見数は5個前後
– cf. 1個の惑星発見で年平均3本程度の論文出版数見込み
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