原始惑星系円盤の化学・物理進化計算と系外惑星大気の観測から探る惑星形成過程

• Project/Area Number: 21K13984
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 17010:Space and planetary sciences-related
• Research Institution: Japan Aerospace EXploration Agency (2023); Institute of Physical and Chemical Research (2021-2022)
• Principal Investigator: 川島 由依 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 特任助教 (40897691)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2023: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2022: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2021: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
• Keywords: 系外惑星 / 褐色矮星 / 大気組成 / 惑星形成 / 原始惑星系円盤

Outline of Research at the Start

本研究では、系外惑星大気の元素存在度から惑星の形成過程、また形成時の原始惑星系円盤の環境を解明することを目指す。そのために、観測可能な大気の元素存在度が、円盤の乱流強度や惑星の形成場所、惑星移動の有無にどのように依存するのかを明らかにする。加えて、実際に系外惑星大気の観測を行い、構築したモデルを適用することにより、その惑星の形成過程と形成時の円盤環境を明らかにする。この理論・観測両面からの研究により、惑星形成論の大きな未解決問題である、「惑星が形成時に大規模な移動を経験するか」を解明する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、大気の元素存在度から惑星の形成過程を明らかにすることを目指す。そのために、系外惑星や、惑星と恒星の中間質量をもつ天体である褐色矮星の大気の観測を行い、観測スペクトルから大気の元素存在度を推定する方法を確立することと、大気の元素存在度を基に、惑星の形成過程（円盤内での移動の有無や形成場所）を解明することを目指す。
本年度は、すばる望遠鏡の高分散分光器IRD (InfraRed Doppler) を用いて観測した、主星をもつ褐色矮星の大気スペクトルの解析を引き続き行った。共同研究者と開発した高分散スペクトル用の逆問題推定コードExoJAX (Kawahara, Kawashima et al. 2022)を観測スペクトルに適用した結果、大気の化学組成や温度構造を高精度に制約することができた。
当該天体については、これまでの中分散分光観測から、主星とは大きく異なるC/O比が推定されていた。大気のC/O比は、惑星の形成過程を探る指標として着目されているが、褐色矮星質量の天体の形成過程を考えると、このような主星と大きく異なるC/O比は説明がしづらい。一方、今回の我々の高分散分光スペクトル観測の解析からは、主星と一致するC/O比が得られた。この先行研究の中分散分光観測と我々の高分散分光観測の結果の不一致については、現在、原因を探っているところである。褐色矮星は、形成過程に比較的不定性が少なく、系外巨大惑星と同様の温度・組成をもち、かつ高精度な大気スペクトルの観測が可能である。このような褐色矮星を用いて、大気のC/O比が本当に惑星形成過程を探る指標として使えるのか、妥当性の確認を行うことは、この手法を惑星質量天体に適用する前に必要不可欠であると言える。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

これまでにほぼ例のない、褐色矮星大気の高分散分光スペクトルの観測と、観測スペクトルに対する逆問題手法を組み合わせたことで、惑星形成過程のプローブとして着目されている大気のC/O比の推定に大きな不定性が残っていることがわかった。

Strategy for Future Research Activity

次年度は引き続き、すばる望遠鏡を用いて観測した褐色矮星大気の高分散スペクトルについてのデータ解析を進め、観測スペクトルから大気の元素存在度を推定する方法を確立し、観測された系外惑星の大気の元素存在度を基に、それらの惑星の形成過程（円盤内での惑星移動の有無や形成場所）を解明する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Max Planck Institute for Astronomy(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] Harvard & Smithsonian/The University of Kansas/University of Texas at Austin(米国)
• [Int'l Joint Research] Universite de Montreal(カナダ)
• [Int'l Joint Research] University of Southern Queensland(オーストラリア)
• [Int'l Joint Research] SRON(オランダ)
• [Int'l Joint Research] University of Kansas/Sandia National Laboratories(米国)
• [Int'l Joint Research] Universite Paris-Saclay(フランス)
• [Journal Article] A Spectroscopic Thermometer: Individual Vibrational Band Spectroscopy with the Example of OH in the Atmosphere of WASP-33b (2023)
  • Author(s): Ernst J. W.、Waldmann Ingo、Tennyson Jonathan、Kawahara Hajime、Kuzuhara Masayuki、Hirano Teruyuki、Kotani Takayuki、Kawashima Yui、Masuda Kento、Birkby Jayne L.、Watson Chris A.、Tamura Motohide、Zwintz Konstanze、Harakawa Hiroki、Kudo Tomoyuki、Hodapp Klaus、Jacobson Shane、Konishi Mihoko、Kurokawa Takashi et al.
  • Journal Title: The Astronomical Journal Volume: 166 Issue: 2 Pages: 41-41
  • DOI: 10.3847/1538-3881/acdb75
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Tentative Evidence for Water Vapor in the Atmosphere of the Neptune-sized Exoplanet HD 106315c (2022)
  • Author(s): Kreidberg Laura、Molliere Paul、Crossfield Ian J. M.、Thorngren Daniel P.、Kawashima Yui、Morley Caroline V.、Benneke Bjorn、Mikal-Evans Thomas、Berardo David、Kosiarek Molly R.、Gorjian Varoujan、Ciardi David R.、Christiansen Jessie L.、Dragomir Diana、Dressing Courtney D.、Fortney Jonathan J. et al.
  • Journal Title: The Astronomical Journal Volume: 164 Issue: 4 Pages: 124-124
  • DOI: 10.3847/1538-3881/ac85be
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] アストロケミストリー特集 (2) 系外惑星大気の化学 (2022)
  • Author(s): 川島 由依
  • Journal Title: 天文月報 Volume: 115 Pages: 286-286
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Investigation of the upper atmosphere in ultra-hot Jupiter WASP-76?b with high-resolution spectroscopy (2022)
  • Author(s): Kawauchi Kiyoe、Narita Norio、Sato Bun’ei、Kawashima Yui
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: 74 Issue: 2 Pages: 225-238
  • DOI: 10.1093/pasj/psab120
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Autodifferentiable Spectrum Model for High-dispersion Characterization of Exoplanets and Brown Dwarfs (2022)
  • Author(s): Kawahara Hajime、Kawashima Yui、Masuda Kento、Crossfield Ian J. M.、Pannier Erwan、van den Bekerom Dirk
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Supplement Series Volume: 258 Issue: 2 Pages: 31-31
  • DOI: 10.3847/1538-4365/ac3b4d
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Implementation of disequilibrium chemistry to spectral retrieval code ARCiS and application to 16 exoplanet transmission spectra (2021)
  • Author(s): Kawashima Yui、Min Michiel
  • Journal Title: Astronomy & Astrophysics Volume: 656 Pages: A90-A90
  • DOI: 10.1051/0004-6361/202141548
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Subaru/IRD high-resolution spectroscopy of a T-type brown dwarf and investigation of its atmospheric properties with high-resolution spectrum model ExoJAX (2024)
  • Author(s): Y. Kawashima, H. Kawahara, Y. Kasagi, H. Ishikawa, K. Masuda, T. Kotani, T. Kudo, T. Hirano, M. Kuzuhara, S. Nugroho, J. Livingston, M. Tamura, and IRD team,
  • Organizer: Subaru Users Meeting FY2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] New Ariel Working Group fousing on clouds/haze (2023)
  • Author(s): Y. Kawashima, S. Ma, K. Ohno, Y. Ito, and cloud/haze working group
  • Organizer: 2023 fall Ariel Consortium Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Exoplanet Science in the Era of JWST (2023)
  • Author(s): Y. Kawashima
  • Organizer: Japanese-American-German Frontiers of Science Symposium (JAGFOS) 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] すばる望遠鏡IRDによるT型褐色矮星の高分散分光観測と高分散スペクトルモデルExoJAXによる大気特性の調査 (2023)
  • Author(s): 川島由依, 河原創, 笠木結, 石川裕之, 増田賢人, 小谷隆行, 工藤智幸, 平野照幸, 葛原昌幸, Stevanus Nugroho, John Livingston, 田村元秀, IRDチーム
  • Organizer: 日本天文学会 2023年秋季大会
• [Presentation] Atmospheric characterization of giant planets and brown dwarfs (2023)
  • Author(s): 川島由依
  • Organizer: JASMINE Consortium Meeting 2023
  • Invited
• [Presentation] Subaru/IRD high-resolution spectroscopy of a T-type brown dwarf and investigation of its atmospheric properties with high-resolution spectrum model ExoJAX (2023)
  • Author(s): Y. Kawashima, H. Kawahara, Y. Kasagi, H. Ishikawa, K. Masuda, T. Kotani, T. Kudo, T. Hirano, M. Kuzuhara, S. Nugroho, J. Livingston, M. Tamura, and IRD team
  • Organizer: Exoclimes VI
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Subaru/IRD high-resolution spectroscopy of a T-type brown dwarf and investigation of its atmospheric properties with high-resolution spectrum model ExoJAX (2023)
  • Author(s): Y. Kawashima, H. Kawahara, Y. Kasagi, H. Ishikawa, K. Masuda, T. Kotani, T. Kudo, T. Hirano, M. Kuzuhara, S. Nugroho, J. Livingston, M. Tamura, and IRD team
  • Organizer: Japan Geioscience Union Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Subaru/IRD high-resolution spectroscopy of a T-type brown dwarf and investigation of its atmospheric properties with high-resolution spectrum model ExoJAX (2023)
  • Author(s): Y. Kawashima, H. Kawahara, Y. Kasagi, H. Ishikawa, K. Masuda, T. Kotani, T. Kudo, T. Hirano, M. Kuzuhara, S. Nugroho, J. Livingston, M. Tamura, and IRD team
  • Organizer: Protostars and Planets VII
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Cloud models in planets (2023)
  • Author(s): Y. Kawashima
  • Organizer: Cloud Zwei Con
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] GREX-PLUS：系外惑星のサイエンス (2022)
  • Author(s): 川島由依, 藤井友香, 松尾太郎, 大野和正
  • Organizer: 光赤天連シンポジウム：2030年代にどのような戦略的中型計画を推進するのか
• [Presentation] Implementation of Disequilibrium Chemistry to Spectral Retrieval Code ARCiS and Application to Sixteen Exoplanet Transmission Spectra: Indication of Disequilibrium Chemistry for HD 209458b and WASP-39b (2022)
  • Author(s): Y. Kawashima and M. Min
  • Organizer: COSPAR 2022 44th Scientific Assembly
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] JASMINEによる褐色矮星の光度変動観測 (2022)
  • Author(s): 川島由依, 河原創, 小玉貴則, 増田賢人, 小谷隆行, 平野照幸, JASMINE系外惑星検討班 (Exo-JASMINEチーム)
  • Organizer: 日本天文学会2022年秋季年会
• [Presentation] すばる望遠鏡IRDによる褐色矮星Gl 229Bの高分散分光観測とスペクトル計算コードExoJAXを用いた大気特性の調査 (2022)
  • Author(s): 川島由依, 河原創, 笠木結, 石川裕之, 増田賢人, 小谷隆行, 工藤智幸, 平野照幸, 葛原昌幸, Stevanus Nugroho, John Livingston, 田村元秀, IRDチーム
  • Organizer: 日本惑星科学会2022年秋季講演会
• [Presentation] Implementation of disequilibrium chemistry to spectral retrieval code ARCiS: Indication of disequilibrium chemistry for HD 209458b and WASP-39b (2022)
  • Author(s): Y. Kawashima and M. Min
  • Organizer: Symposium on Next Generation Astrochemistry
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] GREX-PLUSによる系外惑星観測 (2022)
  • Author(s): 川島由依、藤井友香、松尾太郎
  • Organizer: GREX-PLUSサイエンス検討会 FY2021
  • Invited
• [Presentation] 系外ガス惑星大気の化学とエアロゾル：太陽系惑星とのシナジー (2022)
  • Author(s): 川島由依
  • Organizer: 第23回惑星圏研究会
  • Invited
• [Presentation] JASMINEによる褐色矮星の光度変動観測 (2021)
  • Author(s): 川島由依
  • Organizer: JASMINE Consortium Meeting 2021
  • Invited
• [Remarks] 個人ホームページ
  • URL: https://sites.google.com/view/yuikawashima/home
• [Remarks]
  • URL: https://sites.google.com/view/yuikawashima/home
• [Remarks]
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