2018 Fiscal Year Annual Research Report
Theoretical and Observational Studies of the Formation and Evolution of Diverse Planetary Atmospheres
| Project Area | A Paradigm Shift by a New Integrated Theory of Star Formation: Exploring the Expanding Frontier of Habitable Planetary Systems in Our Galaxy |
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| Project/Area Number |
18H05439
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
生駒 大洋 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (80397025)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
寺田 直樹 東北大学, 理学研究科, 教授 (70470060)
成田 憲保 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (60610532)
堀 安範 国立天文台, 光赤外研究部, 特任助教 (40724084)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2023-03-31
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| Keywords | 系外惑星 / 惑星大気 / 惑星形成 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本計画研究は、観測と理論の密な連携により、惑星大気の形成および進化過程を明らかにすることを目標としている。
観測面では、系外惑星のトランジット観測を大規模に実施し、惑星の構成成分および大気の特性を観測的に制約することを目的の一つとしている。そのために、本研究では可視光多色撮像装置MuSCAT3を新たに開発し、北米の望遠鏡に設置することで、既存の姉妹機2台（岡山/MuSCAT1, カナリア諸島/MuSCAT2）との連携により24時間連続で惑星を観測出来る体制を整える。本年度はMuSCAT3の仕様検討および装置を搭載するための望遠鏡の選定を行った。望遠鏡の選定においては、まず北米に位置する口径1-2mの3つの望遠鏡を候補に選び、各望遠鏡を運用する研究機関との交渉および実地調査を進め、最終的にハーバード大学が運用するアリゾナ州ホプキンス山の口径1.2m望遠鏡に絞り込んだ。一方、本年度に装置用の特注光学フィルターを設計・購入する予定であったが、装置の仕様設計に想定以上の時間を要したため、予算の一部を繰り越して翌年度に同フィルターを購入した。
理論面では、惑星系形成の現代的な理解を導入し、観測的検証を念頭においた大気形成進化理論の構築を目指している。特に、原始惑星系円盤ガスを獲得して形成される水素主体の大気と固体材料物質に含まれる揮発性成分の混合が与える物理的および化学的影響の評価に重点を置く。本年度は、水素と岩石の反応による大気中での水生成およびその後の混合が大気構造および大気質量にもたらすフィードバックを定量化した。一方、ガスと固体の同時集積プロセスもN体計算を用いて詳細に検討した。一方、獲得した大気の散逸過程を詳細に検討するため、粒子法に基づく新しい大気散逸モデルの開発に着手し、基礎的な部分の構築が終わった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
MuSCAT3 の装置の仕様設計に想定以上の時間を要したが、それ以外の大きな問題はなく、概ね順調に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
MuSCAT3の開発について、2019年度に光学系および筐体の発注・製作を進める。2020年度4-6月に国内で装置の組み上げおよび性能試験を行い、同年7月以降に装置を現地天文台に輸送、試験観測を実施したのち、同年10月より科学観測の開始を目指す。2020年度後半から2022年度にかけて、全天惑星探索衛星TESSで発見されたトランジット系外惑星の観測をMuSCAT1,2と連携して実施する。太陽系近傍のスーパーアース約30個のトランジットを各3回程度ずつ観測し、得られた観測スペクトルを理論モデルと比較することで、大気の大まかな特性（水素に富む大気かどうかや雲/ヘイズの有無）を調べる。また、厚い雲がかかっていない惑星については、すばる望遠鏡など大型の望遠鏡を用いてより詳細に大気を調べる。さらに、MuSCAT1-3を用いて複数惑星系をなす地球型惑星のTTV（トランジット時刻変動）を調べることで惑星の質量を決定し、得られた質量と半径の関係から地球型惑星のバルク組成を理論的に制約する。これにより、地球型惑星からガス惑星への質量半径関係の変遷を明らかにする。
これに対して、理論研究では、本年度に構築したモデルおよび新たな理解を統合し、系外惑星の質量・半径・軌道周期・大気成分を予言する惑星形成統合モデルを構築する。さらに、大気構造モデルおよび模擬スペクトルモデルを作成し、我々の惑星形成モデルから予言される大気の状態を再現することで、将来の大気分光観測に備える。こうした理論検討においては、本領域の他計画研究と連携し、より現実的で洗練されたモデルに改良を続ける。一方、MuSCAT1-3による追観測で確定された多くのTESS惑星の分布と、我々の理論予測を比較することで、理論の正当性を検証・修正し、惑星大気の多様性と起源を明らかにする。
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