地球型系外惑星大気の特徴づけのための精密分光方式の確立

• 研究課題/領域番号: 19H00700
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 中区分16:天文学およびその関連分野
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 松尾 太郎 名古屋大学, 理学研究科, 准教授 (00548464)
• 研究分担者: 芝井 広 大阪大学, その他部局等, 名誉教授 (70154234)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 42,900千円 (直接経費: 33,000千円、間接経費: 9,900千円); 2021年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円); 2020年度: 8,320千円 (直接経費: 6,400千円、間接経費: 1,920千円); 2019年度: 30,940千円 (直接経費: 23,800千円、間接経費: 7,140千円)
• キーワード: 中間赤外線分光器 / 高安定 / 極低温 / 中間赤外線検出器 / 瞳分光 / 太陽系外惑星 / 分光器 / 食分光 / 地球型系外惑星 / 大気分光 / 高安定分光器 / 指向擾乱 / 太陽系外惑星科学 / 赤外線天文学 / 分光測光 / 極低温実験 / 分光測光器 / 安定性 / 高精度分光測光 / 中間赤外線 / 極低温装置 / 望遠鏡模擬システム

研究開始時の研究の概要

太陽系外の恒星の周りで3000を超える系外惑星が発見されている。系外惑星の中には、地球と同程度の大きさで、かつ主星からほどよい距離にある水を保有する可能性のある生命居住可能惑星が含まれる。本研究は、地球型系外惑星の大気分光のために、太陽系近傍の食を起こす地球型系外惑星の分光観測ための技術を確立するものである。2016年に提案された瞳収縮分光は、望遠鏡の姿勢変化や検出器ゲインの時間変化の影響を抑えて、10万分の1の測光分光の安定性を達成できる可能性が示された。本研究は、宇宙観測環境を模擬する望遠鏡シミュレータを開発し、観測環境下での瞳収縮分光器の性能を評価する。

研究成果の概要

本研究は、太陽系近傍にある低温星周りの地球型系外惑星の熱放射の検出、さらに大気分光を目指して、中間赤外線において超高安定の分光測光観測を実現するものである。その実現において、原理的に高い分光測光精度が達成可能な瞳分光法（望遠鏡の入射開口面を分光する方法）に着目し、極低温テストベッドをNASA Ames Research Centerに構築し、その実証と性能評価を行った。本実験を通して、瞳分光像を検出面に形成することに成功し、またジェームズ・ウェブ宇宙望遠鏡用に開発された中間赤外線検出器と瞳分光器を組み合わせて100万分の10の安定性を得ることに成功した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

地球型系外惑星の大気分光は、宇宙における生命探査の最初の一歩として位置付けられる。惑星大気の分子組成から点として観測される惑星の表層での生命活動の可能性を検証することが可能である。本研究は、NASAが提案した極低温宇宙望遠鏡ミッションコンセプトに、瞳分光器を搭載することによって、2030年代に食分光を通して生命探査の実現を目指すものであった。その搭載に向けて、NASA Ames Research Centerにおいて技術実証を行い、技術の確立を目指した。結果として、当初目指していた分光測光精度100万分の10に到達することができ、これは生命探査を可能にする性能である。

研究成果

• [国際共同研究] NASA Ames Research Center(米国)
• [国際共同研究] NASA Ames Research Center(米国)
• [国際共同研究] NASA Ames Research Center(米国)
• [雑誌論文] A Coronagraph with a Sub-λ/D Inner Working Angle and a Moderate Spectral Bandwidth (2022)
  • 著者名/発表者名: Itoh, S., Matsuo, T.
  • 雑誌名: Astronomical Journal 巻: 163 号: 6 ページ: 279-279
  • DOI: 10.3847/1538-3881/ac658a
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Development progress of diffraction-limited coronagraphs with moderate spectral bandwidths (2022)
  • 著者名/発表者名: Itoh, S., Matsuo, T., Ota, S., Ikeda, Y., Kojima, R., Yamada, T., Sumi, T.
  • 雑誌名: Proc. of SPIE 巻: 12188 ページ: 158-158
  • DOI: 10.1117/12.2629087
• [雑誌論文] Development of a high-precision spectrograph for diffraction-limited coronagraphs (2022)
  • 著者名/発表者名: Ota, S., Matsuo, T., Itoh, S., Kano, T., Ikeda, Y., Kojima, R., Sukegawa, T., Nakayasu, T., Koyama, M., Sumi, T., Yamada, T.
  • 雑誌名: Proc. of SPIE 巻: 12188 ページ: 1218851-1218851
  • DOI: 10.1117/12.2629324
• [雑誌論文] The Japan-United States Infrared Interferometry Experiment (JUStIInE): balloon-borne pathfinder for a space-based far-IR interferometer (2022)
  • 著者名/発表者名: David Leisawitz, Taro Matsuo, Gregory Mosby Jr., Peter Ade, Rachel Akeson, Dale Fixsen, Qian Gong, Hidehiro Kaneda, Stephen F. Maher, Lee G. Mundy, Shunsuke Ota, Gioia Rau, Elmer Sharp III, Toru Shimokawa, Johannes Staguhn, Carole Tucker, Gerard van Belle
  • 雑誌名: Proc. of SPIE 巻: 12190 ページ: 98-98
  • DOI: 10.1117/12.2629426
  • 国際共著
• [雑誌論文] Detecting Atmospheric Molecules of Nontransiting Temperate Terrestrial Exoplanets Using High-resolution Spectroscopy in the Mid-infrared Domain (2021)
  • 著者名/発表者名: Yuka Fujii, Taro Matsuo
  • 雑誌名: Astronomical Journal 巻: 161 号: 4 ページ: 180-180
  • DOI: 10.3847/1538-3881/abe129
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spectroscopic Fourth-order Coronagraph for the Characterization of Terrestrial Planets at Small Angular Separations from Host Stars (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Matsuo, S. Itoh, Y. Ikeda
  • 雑誌名: Astronomical Journal 巻: 161 号: 2 ページ: 83-83
  • DOI: 10.3847/1538-3881/abd248
  • 査読あり
• [雑誌論文] Laboratory experiment of densified pupil spectrograph for the Origins Space Telescope (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Matsuo, T. P. Greene, R. R. Johnson, R. E. McMurray, T. Roellig, K. Ennico-Smith, B. P. Helvensteijn, A. Kashani, H. Shibai, T. Sumi, S. Itoh, I. Sakon, T. Yamamuro, Y. Ikeda, T. Manome, N. Iida, K. Yanagibashi, M. Kamiura
  • 雑誌名: Proceedings of the SPIE 巻: 11443 ページ: 212-212
  • DOI: 10.1117/12.2560421
  • 国際共著
• [雑誌論文] Photometric Precision of a Si:As Impurity Band Conduction Mid-Infrared Detector and Application to Transit Spectroscopy (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Matsuo, T. Greene, R. Johnson, R. E. McMurray, T. Roellig, K. Ennico
  • 雑誌名: Publication of Astronomical Society of Pacific 巻: 131 号: 1006 ページ: 1006-1006
  • DOI: 10.1088/1538-3873/ab42f1
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 回折限界の Inner Working Angle を持つ新しいコロナグラフ原理の確認実験 (2022)
  • 著者名/発表者名: 伊藤 哲司、松尾 太郎、太田 峻介、池田 優二、小島 礼己、山田 亨、住 貴宏
  • 学会等名: 2022年度天文学会秋季年会
• [学会発表] 広帯域コロナグラフマスクの実現に向けた同心型分光器の性能測定 (2022)
  • 著者名/発表者名: 太田 峻介、松尾 太郎、伊藤 哲司、叶哲生、池田 優二、小島 礼己、山田 亨、住 貴宏
  • 学会等名: 2022年度天文学会秋季年会
• [学会発表] 赤外線宇宙干渉計（SEIRIOS）のための観測手法の考案とミッション機器の設計 (2022)
  • 著者名/発表者名: 松尾 太郎、五十里 哲、近藤 宙貴、太田 峻介、原 健介、山室 智康、中須賀 真一
  • 学会等名: 第66回宇宙科学技術連合講演会
• [学会発表] 宇宙赤外線干渉計ミッションSEIRIOS実現に向けた高精度な光路長制御手法 (2022)
  • 著者名/発表者名: 近藤 宙貴、五十里 哲、松尾 太郎、中須賀 真一
  • 学会等名: 第66回宇宙科学技術連合講演会
• [学会発表] 日米共同気球搭載赤外線干渉計 (2022)
  • 著者名/発表者名: 松尾 太郎、金田 英宏、芝井 広、太田 峻介、宮田 隆志、上塚 貴史、大薮 進喜、松尾 宏、江澤 元、和田 武彦、土居 明広、Leisawitz David、Mosby Gregory
  • 学会等名: 2022年度大気球シンポジウム
• [学会発表] Laboratory experiment of densified pupil spectrograph for the Origins Space Telescope (2020)
  • 著者名/発表者名: Taro Matsuo
  • 学会等名: 国際光学会
  • 国際学会
• [学会発表] Laboratory experiment of densified pupil spectrograph for the Origins Space Telescope (2020)
  • 著者名/発表者名: Matsuo Taro、Greene Thomas P.、Johnson Roy R.、McMurray Robert E.、Roellig Thomas L.、Ennico-Smith Kimberly、Helvensteijn Bernardus P.、Kashani Ali、Shibai Hiroshi、Sumi Takahiro、Itoh Satoshi、Sakon Itsuki、Yamamuro Tomoyasu、Ikeda Yuji、Manome Takeo、Iida Naoto、Yanagibashi Kentaro、Kamiura Masatsugu
  • 学会等名: SPIE
  • 国際学会