Influence of stellar spectra on the evolution of planetary atmospheres

• Project/Area Number: 22K03695
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 17010:Space and planetary sciences-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 堺 正太朗 東北大学, 理学研究科, 助教 (30801336)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2024: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2023: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2022: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
• Keywords: 系外惑星 / 火星 / XUVスペクトル / 大気散逸 / 恒星スペクトル / 大気進化

Outline of Research at the Start

惑星がハビタブルな環境を獲得できたのかを理解する鍵となるのが大気進化である．大気進化は惑星重力や固有磁場の有無に起因すると考えられてきたが，恒星変動も重要な要因となることが明らかになってきた．近年，様々な系外惑星系で恒星スペクトルが観測的に発見されたことから，恒星スペクトルの違いによる惑星大気進化への影響を網羅的に研究することが可能となった．観測検証が依然困難な系外惑星のハビタブル環境研究の機運も高まっており，数値計算による大気進化研究はより一層重要な位置付けとなっている．本研究では，恒星スペクトルの違いにより，地球のように大気は保持されるのかを，大気進化の観点から体系的な理解を目指す．

Outline of Annual Research Achievements

「恒星型 (恒星スペクトル) の違いにより大気は保持されるのか、それともされないのか」という学術的問いに答えることを目的とし、数値計算、特に3次元多成分電磁流体力学 (REPPU-Planets) モデルを用いて様々な恒星環境下での惑星上層大気構造及び大気散逸機構を明らかにする。REPPU-Planetsを用いた研究では、将来的に実施予定である固有磁場と恒星風磁場の相互作用が及ぼす大気散逸への影響に関する論文が研究代表者らから出版されており (Sakai+, 2023, JGR)、本研究課題の将来発展につながるものであった。
本研究課題においてREPPU-Planetsに用いる背景熱圏大気は研究協力者らが昨年度に出版した系外惑星大気モデル (Nakayama+, 2022, ApJ) を採用した。本熱圏大気モデルを用いる最大のメリットは、太陽系でしばしば用いられる太陽照射モデルEUVACよりも良い波長分解能で熱圏大気モデル、更にはREPPU-Planetsで開発予定であった電離率までも計算することができることから、REPPU-Planetsで新たに必要あった開発が格段に減ったことである。本熱圏大気モデルと電離率を用いて、比較的低XUV環境下なHD85512系及びGJ581系に火星型惑星を配置し、REPPU-Planetsにて計算を行った。惑星は太陽系火星と同じ太陽日射量となる位置に置き、XUV放射照度を規格化した。XUV放射照度、大気密度が各イオン種の大気散逸率に顕著に影響を与えることが本計算から理解され始めた。詳細な解析は引き続き行っていく予定である。本成果は、仙台で行われた惑星圏研究会にてポスター発表された。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究課題における昨年度の一番の開発要素はREPPU-Planetsに用いるイオン種の電離率を新たな波長分解能で計算する部分であった。REPPU-Planetsに用いる背景熱圏大気は当初、研究協力者が開発した Terada+(2016, JGR) モデルを適用予定し、そこから高波長分解能で電離率を計算する予定であったが、系外惑星大気のXUV依存性を調査するのに最適なモデルを研究協力者らが出版したので (Nakayama+, 2022, ApJ)、こちらのモデルを新たに採用した。これにより、開発期間は大幅に短縮された一方で、所定の惑星系の大気分布を計算するのにはある程度の時間がかかってしまうため、それらを総合的に考慮すると区分としては「おおむね順調に進展している」とした。

Strategy for Future Research Activity

今年度はまず、これまで行っていた太陽系火星の計算をNakayama+(2022,ApJ)で再計算された探査機MAVENの観測ともよく合うような熱圏大気モデルを用いてREPPU-Planetsで計算を行う予定である。その後、火星・HD85512系・GJ581系の3つの惑星で大気散逸率の比較を行い、何が散逸率の違いを生むのかに焦点を当てて論文にまとめる予定である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] LASP, University of Colorado, Boulder(米国)
• [Int'l Joint Research] LATMOS/CNRS, Sorbonne University(フランス)
• [Journal Article] Strong Depletion of 13C in CO Induced by Photolysis of CO2 in the Martian Atmosphere, Calculated by a Photochemical Model? (2023)
  • Author(s): Yoshida, T., Aoki, S., Ueno, Y., Terada, N., Nakamura, Y., Shiobara, K., Yoshida, N., Nakagawa, H., Sakai, S., & Koyama, S.
  • Journal Title: The Planetary Science Journal Volume: 4 Issue: 3 Pages: 53-53
  • DOI: 10.3847/psj/acc030
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Enhanced ion escape rate during IMF rotation under weak intrinsic magnetic field conditions on a Mars-like planet (2023)
  • Author(s): Sakai, S., Seki, K., Terada, N., Shinagawa, H., Sakata, R., Tanaka, T., & Ebihara, Y.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Space Physics Volume: 128 Issue: 3 Pages: 1-10
  • DOI: 10.1029/2022ja030510
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Survival of Terrestrial N2-O2 atmospheres in violent XUV environments through efficient atomic line radiatice cooling (2023)
  • Author(s): Nakayama, A., Ikoma, M., & Terada, N.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 937 Issue: 2 Pages: 72-72
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac86ca
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Multispecies MHD study of ion escape at ancient Mars: Effects of an intrinsic magnetic field and solar XUV radiation (2022)
  • Author(s): Sakata, R., Seki, K., Sakai, S., Terada, N., Shinagawa, H., & Tanaka, T.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Space Physics Volume: 127 Issue: 7
  • DOI: 10.1029/2022ja030427
  • Peer Reviewed
• [Presentation] LAPYUTA 計画の検討状況 (2023)
  • Author(s): 土屋史紀, 村上豪, 山崎敦, 木村智樹, 吉岡和夫, 鍵谷将人, 古賀亮一, 木村淳, 成田憲保, 亀田真吾, 生駒大洋, 大内正己, 田中雅臣, 益永圭, 堺正太朗, 垰千尋, 桑原正輝, 鳥海森, LAPYUTA WG 検討グループ
  • Organizer: 日本天文学会2023年春季年会
• [Presentation] 低温度星周りの地球型惑星からの大気散逸と大気保持の可能性 (2023)
  • Author(s): 中山陽史, 生駒大洋, 亀田真吾, 寺田直樹
  • Organizer: 新学術領域「星・惑星系星」2022年度大研究会
• [Presentation] Study of atmospheric ion escape from exoplanet TOI-700 d (2023)
  • Author(s): 西岡知輝, 関華奈子, 坂田遼弥, 山本和弘, 堺正太朗, 寺田直樹, 品川裕之, 中山陽史
  • Organizer: 第24回惑星圏研究会
• [Presentation] Effects of stellar spectra on ion escape from a Mars-like planet orbiting inactive low-mass stars (2023)
  • Author(s): 堺正太朗, 中山陽史, 関華奈子, 寺田直樹, 品川裕之, 坂田遼弥, 田中高史
  • Organizer: 第24回惑星圏研究会
• [Presentation] 火星大気散逸研究の現状と展望 (2023)
  • Author(s): 堺正太朗
  • Organizer: 第24回惑星圏研究会
  • Invited
• [Presentation] LAPYUTA ワーキンググループ, 惑星科学、生命圏科学、および天文学に向けた紫外線宇宙望遠鏡計画 (LAPYUTA) の検討状況 (2023)
  • Author(s): 土屋史紀, 村上豪, 山崎敦, 木村智樹, 吉岡和夫, 鍵谷将人, 古賀亮一, 木村淳, 成田憲保, 亀田真吾, 生駒大洋, 大内正己, 田中雅臣, 益永圭, 堺正太朗, 垰千尋, 桑原正輝, 鳥海森
  • Organizer: 第24回惑星圏研究会
• [Presentation] Plasmasphere formation at terrestrial rocky exoplanets around M-dwarf stars and its detectability: Possible evidence for the intrinsic magnetic field and thick atmosphere (2022)
  • Author(s): K. Seki, A. Nakayama, R. Sakata, T. Nishioka, T. Imamura, S. Sakai, N. Terada, K. Keika, K. France, D. Brain
  • Organizer: American Geophysical Union Fall Meeting 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Atmospheric lifetime for a hypothetical Mars-sized planet orbiting Barnardユs Star (2022)
  • Author(s): D. A. Brain, W. K. Peterson, O. Cohen, T. Cravens, A. Farrish, K. France, Y. Futaana, K. Garcia-Sage, A. Glocer, O. Hamil, M. Holmstrom, L. M. Kistler, F. Leblanc, A. W. Merkel, A. Nakayama, L. M. Peticolas, R. Ramstad, A. R. Renzaglia, S. Sakai, R. Sakata, N. R. Schnepf, K. Seki, R. J. Strangeway, W. Sun, A. Vidotto
  • Organizer: American Geophysical Union Fall Meeting 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Study of atmospheric ion escape from exoplanet TOI-700d (2022)
  • Author(s): T. Nishioka, K. Seki, R. Sakata, K. Yamamoto, S. Sakai, N. Terada, H. Shinagawa, A. Nakayama
  • Organizer: American Geophysical Union Fall Meeting 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Survival of Terrestrial N2-O2 Atmosphere in Violent XUV Environments by Efficient Atomic Line Radiative Cooling (2022)
  • Author(s): A. Nakayama, M. Ikoma, N. Terada
  • Organizer: Forming and Exploring Habitable Worlds
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Study of plasmasphere formation at terrestrial exoplanets around M-Dwarf stars and its detectability (2022)
  • Author(s): 関華奈子, 中山陽史, 坂田遼弥, 今村剛, 堺正太朗, 寺田直樹, 桂華邦裕, K. France, D. Brain
  • Organizer: 第152回地球電磁気・地球惑星圏学会講演会
• [Presentation] Effects of planetary intrinsic magnetic fields on the atmospheric ion escape from exoplanet TOI-700 d (2022)
  • Author(s): 西岡知輝, 関華奈子, 坂田遼弥, 山本和弘, 堺正太朗, 寺田直樹, 品川裕之, 中山陽史
  • Organizer: 第152回地球電磁気・地球惑星圏学会講演会
• [Presentation] 惑星科学、生命圏科学、および天文学に向けた紫外線宇宙望遠鏡計画の検討状況 (2022)
  • Author(s): 土屋史紀, 村上豪, 山崎敦, 木村智樹, 吉岡和夫, 鍵谷将人, 古賀亮一, 木村淳, 成田憲保, 亀田真吾, 生駒大洋, 大内正己, 田中雅臣, 益永圭, 堺正太朗, 垰千尋, 桑原正輝, 鳥海森
  • Organizer: 第152回地球電磁気・地球惑星圏学会講演会
• [Presentation] Atmospheric Lifetime of a Hypothetical Mars-Sized Planet Orbiting Barnardユs Star (2022)
  • Author(s): D.Brain, W.Peterson, O.Cohen, T.Cravens, A.Farrish, K.France, Y.Futaana, K.Garcia-Sage, A.Glocer, O.Hamil, M.Holmstrom, L.Kistler, F.Leblanc, Y.Ma, A.Merkel, A.Nakayama, L.Peticolas, R.Ramstad, A.Renzaglia, S.Sakai, R.Sakata, E.Sanchez, N.Schnepf, K.Seki, R.Strangeway, W.Sun, N.Terada, A.Vidotto, L.Waldrop
  • Organizer: Exoplanets in Our Backyard 2
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Survival of Terrestrial N2-O2 Atmosphere in Violent XUV Environments by Efficient Atomic Line Radiative Cooling (2022)
  • Author(s): A. Nakayama, M. Ikoma, N. Terada
  • Organizer: The 30th Anniversary Symposium of the Center for Computational Sciences at the University of Tsukuba
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 多成分MHDによる太古火星におけるイオン散逸の研究: 固有磁場と太陽XUV放射の影響 (2022)
  • Author(s): 坂田遼弥, 関華奈子, 堺正太朗, 寺田直樹, 品川裕之, 田中高史
  • Organizer: 日本惑星科学会秋季講演会
• [Presentation] 惑星科学, 生命圏科学, および天文学に向けた紫外線望遠鏡計画 (LAPYUTA): 計画の現状報告 (2022)
  • Author(s): 土屋史紀, 村上豪, 山崎敦, 木村智樹, 吉岡和夫, 鍵谷将人, 古賀亮一, 木村淳, 成田憲保, 亀田真吾, 生駒大洋, 大内正己, 田中雅臣, 益永圭, 堺正太朗, 垰千尋, 桑原正輝, 鳥海森, LAPYUTA WG
  • Organizer: 日本惑星科学会秋季講演会
• [Presentation] M型星周りにおける地球型大気保持の可能性 (2022)
  • Author(s): 中山陽史, 生駒大洋, 寺田直樹
  • Organizer: 日本天文学会2022秋季年会
• [Presentation] LAPYUTA (Life-environmentology, Astronomy, and PlanetarY Ultraviolet Telescope Assembly) mission (2022)
  • Author(s): F. Tsuchiya, G. Murakami, A. Yamazaki, T. Kimura, M. Kagitani, R. Koga, J. Kimura, N. Narita, S. Kameda, M. Ikoma, M. Ouchi, M. Tanaka, K. Masunaga, S. Sakai, C. Tao, M. Kuwabara, S. Toriumi
  • Organizer: Magnetospheres of the Outer Planets Meeting 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 3次元グローバルMHDシミュレーションによる過去地球と現代タイタンの窒素大気散逸過程の比較 (2022)
  • Author(s): 徳重みなみ, 木村智樹, 中田英太郎, 堺正太朗, 寺田直樹
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2022年大会
• [Presentation] Study of atmospheric ion escape from exoplanet TOI-700 d based on global multi-species MHD simulations (2022)
  • Author(s): T. Nishioka, K. Seki, R. Sakata, K. Yamamoto, S. Sakai, N. Terada, H. Shinagawa
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Plasmasphere formation around terrestrial exoplanets: Possible evidence of the exoplanetary intrinsic magnetic field and atmosphere (2022)
  • Author(s): K. Seki, A. Nakayama, R. Sakata, T. Imamura, S. Sakai, N. Terada, K. Keika, K. France, D. A. Brain
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Survival of Terrestrial N2-O2 Atmosphere in Violent XUV Environments by Efficient Atomic Line Radiative Cooling (2022)
  • Author(s): A. Nakayama, M. Ikoma, N. Terada
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2022
  • Int'l Joint Research