Development of Polarimetric Techniques to Investigate Habitability of Exoplanets

• Project/Area Number: 15K21296
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Research Field: Astronomy; Solid earth and planetary physics
• Research Institution: University of Hyogo
• Principal Investigator: Takahashi Jun 兵庫県立大学, 自然・環境科学研究所, 特任助教 (80648957)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2018: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2017: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2016: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2015: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 地球照 / 月食 / 偏光観測 / 生命探査 / 系外惑星 / 太陽系外惑星 / 検出可能性 / 光赤外線天文学 / 生命居住可能性 / 観測手法

Outline of Final Research Achievements

We conducted polarimetry for lunar Earthshine and lunar eclipses. Following results have been obtained. (A) Earth's polarization degrees in the near-infrared tend to be larger when the ocean occupies a larger fraction in the reflecting surface. (B) The phase angle for the Earth's maximum polarization is larger in the near-infrared than that in the visible wavelengths. This observed trend probably corresponds to existence of an atmosphere with an Earth-like optical thickness. (C) We obtained the first-ever polarization spectra of the Moon during a lunar eclipse and detected a 2-3% polarization degree at wavelengths shorter than 600 nm and at absorption bands of molecular oxygen. The polarization degree of the Earth's transmitted light may depend on inhomogeneity of the cloud distribution.
These polarimetric signatures may be useful to investigate the habitability of exoplanets.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究では、月面地球照および月食の偏光観測により、「海の存在」、「大気の透明度」、「大気組成」、「雲の空間分布」に対応すると考えられる特徴を得た。これらはいずれも惑星における生命居住可能性に関係すると考えられ、中でも「海の存在」は生命活動に極めて重要である。本研究で得た観測特徴が太陽系外惑星に見られるかどうかを調べれば、系外惑星の生命居住可能性について情報を得ることができると期待される。つまり、本研究の成果は、有効な地球外生命探査の実現に貢献しうる。「我々は孤独なのか？」という人類社会が抱いてきた根源的な問いに答えるための一歩であるとも言える。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Space Science Institute(米国)
• [Journal Article] Performance Evaluation of the NIC Polarimetry Mode (2020)
  • Author(s): 高橋 隼
  • Journal Title: Stars and Galaxies Volume: 2 Issue: 0 Pages: 3
  • DOI: 10.32231/starsandgalaxies.2.0_3
  • ISSN: 2434-270X
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 忘れられた謎 月食の偏光 (2020)
  • Author(s): 高橋 隼
  • Journal Title: 天文月報 Volume: 113 Pages: 261-268
  • Open Access
• [Journal Article] Comparison of polarization at two lunar eclipse events (2019)
  • Author(s): Takahashi Jun、Itoh Yoichi、Watanabe Makoto、Akitaya Hiroshi、Takaki Katsutoshi、Kawabata Koji S、Itoh Ryosuke、Oasa Yumiko
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: 71 Issue: 2 Pages: 47-47
  • DOI: 10.1093/pasj/psz017
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Redevelopment of Polarimetry Mode for NIC (2018)
  • Author(s): 高橋 隼、禅野 孝広、斎藤 智樹、伊藤 洋一
  • Journal Title: Stars and Galaxies Volume: 1 Issue: 0 Pages: 17-27
  • DOI: 10.32231/starsandgalaxies.1.0_17
  • NAID: 130007620366
  • ISSN: 2434-270X
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Polarized Transmission Spectrum of Earth as Observed during a Lunar Eclipse (2017)
  • Author(s): Jun Takahashi, Yoichi Itoh, Kensuke Hosoya, Padma A. Yanamandra-Fisher, Takashi Hattori
  • Journal Title: The Astronomical Journal Volume: 154 Issue: 6 Pages: 1-14
  • DOI: 10.3847/1538-3881/aa91d6
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Feasibility of spectro-polarimetric characterization of exoplanetary atmospheres with direct observing instruments (2017)
  • Author(s): Takahashi, J., Matsuo, T., Itoh, Y.
  • Journal Title: Astronomy & Astrophysics Volume: 599 Pages: A56-A56
  • DOI: 10.1051/0004-6361/201628206
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 地上からの地球観測: 月面地球照・月食 (2020)
  • Author(s): 高橋 隼
  • Organizer: ABC若手分野間連携勉強会
  • Invited
• [Presentation] 西はりま天文台 NICとWFGS2の改良 (2019)
  • Author(s): 高橋 隼, 本田敏志
  • Organizer: 2019年度せいめいユーザーズミーティング （第29回光赤外ユーザーズミーティング）
• [Presentation] 月食偏光の比較: 2014年10月8日と2015年4月4日 (2019)
  • Author(s): 高橋 隼, 伊藤 洋一, 渡邉 誠, 秋田谷 洋, 高木 勝俊, 川端 弘治, 伊藤 亮介, 大朝 由美子, 石橋 遥子, OISTER collaboration
  • Organizer: 日本天文学会2019年春季年会
• [Presentation] 月食の偏光観測 (2018)
  • Author(s): 高橋 隼
  • Organizer: 第9回光赤外線天文学大学間連携ワークショップ
• [Presentation] 2015年4月4日皆既月食の偏光分光観測 (2017)
  • Author(s): 高橋隼, 伊藤洋一, 細谷謙介, Yanamandra-Fisher, P. A., 服部尭
  • Organizer: 日本天文学会 2017年秋季年会
• [Presentation] 月食の偏光観測 (2017)
  • Author(s): 高橋隼
  • Organizer: 第8回 光赤外線天文学大学間連携ワークショップ
• [Presentation] 偏光分光観測による系外惑星大気調査の実現可能性 (2016)
  • Author(s): 高橋隼、松尾太郎 、伊藤洋一
  • Organizer: アストロバイオロジーネットワーク2016年年会
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2016-09-22
• [Presentation] 偏光分光観測による系外惑星水蒸気探査の実現可能性 (2016)
  • Author(s): 高橋隼, 松尾太郎, 伊藤洋一
  • Organizer: 日本天文学会2016年秋季年会
  • Place of Presentation: 愛媛大学（愛媛県松山市）
  • Year and Date: 2016-09-14
• [Presentation] Feasibility of Spectro-Polarimetric Detection of Atmospheric Components of Exoplanets (2016)
  • Author(s): Jun Takahashi
  • Organizer: TMT Science Forum
  • Place of Presentation: 京都市国際交流会館（京都府京都市）
  • Year and Date: 2016-05-26
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Feasibility Evaluation of Spectro-Polarimetric Detection of Water Vapor in an Atmosphere of Exoplanets (2016)
  • Author(s): Jun Takahashi, Taro Matsuo, Yoichi Itoh
  • Organizer: Water in the Universe: from clouds to oceans
  • Place of Presentation: ノールトウェイク（オランダ）
  • Year and Date: 2016-04-12
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Feasibility Evaluation of Spectro-Polarimetric Detection of Water Vapor in an Atmosphere of Exoplanets (2016)
  • Author(s): Jun Takahashi, Taro Matsuo, Yoichi Itoh
  • Organizer: Water in the Universe: from Clouds to Oceans
  • Place of Presentation: ノールトウェイク（オランダ）
  • Year and Date: 2016-04-12
• [Presentation] 皆既月食の偏光観測 (2015)
  • Author(s): 高橋隼
  • Organizer: 第6回光赤外線天文学大学間連携ワークショップ
  • Place of Presentation: 国立天文台（東京都三鷹市）
  • Year and Date: 2015-11-11