高分散コロナグラフによる系外惑星大気の探索

• 研究課題/領域番号: 20H00170
• 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: 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構 (2020, 2022); 東京大学 (2021)
• 研究代表者: 河原 創 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, 准教授 (90649758)
• 研究分担者: 小谷 隆行 大学共同利用機関法人自然科学研究機構(新分野創成センター、アストロバイオロジーセンター、生命創成探究, アストロバイオロジーセンター, 助教 (40554291) ; Guyon Olivier 国立天文台, ハワイ観測所, RCUH職員 (90399288)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 43,680千円 (直接経費: 33,600千円、間接経費: 10,080千円); 2022年度: 10,790千円 (直接経費: 8,300千円、間接経費: 2,490千円); 2021年度: 10,660千円 (直接経費: 8,200千円、間接経費: 2,460千円); 2020年度: 22,230千円 (直接経費: 17,100千円、間接経費: 5,130千円)
• キーワード: 系外惑星キャラクタリゼーション / 高分散スペクトル / ベイズ推定 / 自動微分 / 褐色矮星 / Kバンド / 系外惑星 / スペクトル / リトリーバル / 系外惑星大気 / 高分散分光 / 系外惑星探査 / 惑星大気 / 直接撮像 / 太陽系外惑星 / キャラクタリゼーション

研究開始時の研究の概要

近年、太陽系外惑星の生命探査に向けた動きは急速な進展を見せている。これをさらに推し進め、地球サイズの岩石惑星にて水や酸素を検出するためには、次世代大型望遠鏡における直接撮像装置が必要である。その試験機でもある、すばる望遠鏡にて開発している分子検出プロジェクトREACHを用い、世界で初めての手法で直接撮像系外惑星の大気科学を行い、生命探査への手法の実証を行う。REACHは大気検出で実績のある高分散分光にコロナグラフを組み合わせたHDCといわれる手法を実現する装置である。REACHを用いHDCをサイエンスベースで行い、惑星大気の熱化学平衡からの破れや自転や惑星風の検出などを測定することをめざす。

研究成果の概要

本研究では、未開拓の高波長分解能を活用し、系外惑星と褐色矮星のスペクトルに基づく系外惑星キャラクタリゼーション手法を開発することを目指した。分子データと惑星大気モデリング・放射伝達シミュレーションを組み合わせた第一原理解析ツールを開発し、自動微分を用いた革新的な手法により勾配ベース最適化とHMCによる迅速なベイズ推定が実現可能となった。大気温度プロファイル等だけでなく、準恒星天体の質量もスペクトルから推定可能であることが確認された。さらに、我々が開発中の専用装置を用いてすばる望遠鏡でスペクトルを取得し、本手法の適用が可能であることを示した。また本装置のKバンドへの拡張の可能性を示せた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

太陽系外惑星のスペクトルから性質を解析する手法は、将来の系外惑星系における生命探査への重要な研究分野である。本研究では、従来着目されていなかった分子線の分解を実現するような高波長分解能によるスペクトル（高分散スペクトル）を用いて系外惑星の物理化学的性質の解明につながる新手法を開発した。その結果、高分散スペクトルから質量を推定することが可能であることが分かった。惑星の質量は、生命探査を目指す直接撮像法では推定困難であり、かつ惑星の表層環境を決定する重要な要素である。本研究で開発された手法は、将来の生命探査において重要な基本情報を提供する可能性がある。

研究成果

• [雑誌論文] Images of embedded Jovian planet formation at a wide separation around AB Aurigae (2022)
  • 著者名/発表者名: Currie T., Lawson K., Schneider G., Lyra W., Wisniewski J., Grady C., Guyon O., Tamura M., Kotani T., Kawahara H., Brandt T., Uyama T., Muto T., Dong R., Kudo T., Hashimoto J., Fukagawa M., Wagner K., Lozi J., Chilcote J., Tobin T., Groff T., Ward-Duong K., Januszewski W., Norris B., Tuthill P., et al.
  • 雑誌名: Nature Astronomy 巻: 6 号: 6 ページ: 751-759
  • DOI: 10.1038/s41550-022-01634-x
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Global Mapping of Surface Composition on an Exo-Earth Using Sparse Modeling (2022)
  • 著者名/発表者名: Kuwata Atsuki、Kawahara Hajime、Aizawa Masataka、Kotani Takayuki、Tamura Motohide
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 930 号: 2 ページ: 162-162
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac64a1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A super-Earth orbiting near the inner edge of the habitable zone around the M4.5 dwarf Ross 508 (2022)
  • 著者名/発表者名: Harakawa Hiroki、Takarada Takuya、Kasagi Yui、Hirano Teruyuki、et al.
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 74 号: 4 ページ: 904-922
  • DOI: 10.1093/pasj/psac044
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Fast optical flares from M?dwarfs detected by a one-second-cadence survey with Tomo-e Gozen (2022)
  • 著者名/発表者名: Aizawa Masataka、Kawana Kojiro、Kashiyama Kazumi (+Kotaro Fujisawa) et al.
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 74 号: 5 ページ: 1069-1094
  • DOI: 10.1093/pasj/psac056
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Autodifferentiable Spectrum Model for High-dispersion Characterization of Exoplanets and Brown Dwarfs (2022)
  • 著者名/発表者名: Kawahara Hajime、Kawashima Yui、Masuda Kento、Crossfield Ian J. M.、Pannier Erwan、van den Bekerom Dirk
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal Supplement Series 巻: 258 号: 2 ページ: 31-31
  • DOI: 10.3847/1538-4365/ac3b4d
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Polarization-based Speckle Nulling Using a Spatial Light Modulator to Generate a Wide-field Dark Hole (2022)
  • 著者名/発表者名: Naoshi Murakami, Kenta Yoneta, Kenya Kawai, Hajime Kawahara, Takayuki Kotani, Motohide Tamura, and Naoshi Baba
  • 雑誌名: Astronomical Journal 巻: 163 号: 3 ページ: 129-129
  • DOI: 10.3847/1538-3881/ac3510
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Dippers from TESS Full-frame Images. II. Spectroscopic Characterization of Four Young Dippers (2022)
  • 著者名/発表者名: Kasagi Yui、Kotani Takayuki、Kawahara Hajime、Tajiri Tomoyuki、Muto Takayuki、Aizawa Masataka、Fujii Michiko S.、Hattori Kohei、Masuda Kento、Momose Munetake、Ohsawa Ryou、Takita Satoshi
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal Supplement Series 巻: 259 号: 2 ページ: 40-40
  • DOI: 10.3847/1538-4365/ac4e8b
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Neutral Metals in the Atmosphere of HD 149026b (2021)
  • 著者名/発表者名: Ishizuka Masato、Kawahara Hajime、Nugroho Stevanus K.、Kawashima Yui、Hirano Teruyuki、Tamura Motohide
  • 雑誌名: The Astronomical Journal 巻: 161 号: 4 ページ: 153-153
  • DOI: 10.3847/1538-3881/abdb25
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] First Detection of Hydroxyl Radical Emission from an Exoplanet Atmosphere: High-dispersion Characterization of WASP-33b Using Subaru/IRD (2021)
  • 著者名/発表者名: Nugroho Stevanus K.、Kawahara Hajime、Gibson Neale P.、de Mooij Ernst J. W.、Hirano Teruyuki、et al.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal Letters 巻: 910 号: 1 ページ: L9-L9
  • DOI: 10.3847/2041-8213/abec71
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Global Mapping of an Exo-Earth using Sparse Modeling (2020)
  • 著者名/発表者名: Masataka Aizawa, Hajime Kawahara, Siteng Fan
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 896 号: 1 ページ: 1-1
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab8d30
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Global Mapping of the Surface Composition on an Exo-Earth Using Color Variability (2020)
  • 著者名/発表者名: Kawahara Hajime
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 894 号: 1 ページ: 58-58
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab87a1
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Obliquity of an Earth-like Planet from Frequency Modulation of Its Direct-imaged Lightcurve: Mock Analysis from General Circulation Model Simulation (2020)
  • 著者名/発表者名: Nakagawa Yuta、Kodama Takanori、Ishiwatari Masaki、Kawahara Hajime、Suto Yasushi、Takahashi Yoshiyuki O.、Hashimoto George L.、Kuramoto Kiyoshi、Nakajima Kensuke、Takehiro Shin-ichi、Hayashi Yoshi-Yuki
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 898 号: 2 ページ: 95-95
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab9eb8
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Detection of Fe i Emission in the Dayside Spectrum of WASP-33b (2020)
  • 著者名/発表者名: Nugroho Stevanus K.、Gibson Neale P.、de Mooij Ernst J. W.、Herman Miranda K.、Watson Chris A.、Kawahara Hajime、Merritt Stephanie R.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 898 号: 2 ページ: L31-L31
  • DOI: 10.3847/2041-8213/aba4b6
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Bayesian Dynamic Mapping of an Exo-Earth from Photometric Variability (2020)
  • 著者名/発表者名: Kawahara Hajime、Masuda Kento
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 900 号: 1 ページ: 48-48
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aba95e
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dippers from the TESS Full-frame Images. I. Results of the First One Year Data and Discovery of a Runaway Dipper (2020)
  • 著者名/発表者名: Tajiri Tomoyuki、Kawahara Hajime、Aizawa Masataka、Fujii Michiko S.、Hattori Kohei、Kasagi Yui、Kotani Takayuki、Masuda Kento、Momose Munetake、Muto Takayuki、Ohsawa Ryou、Takita Satoshi
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal Supplement Series 巻: 251 号: 2 ページ: 18-18
  • DOI: 10.3847/1538-4365/abbc17
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 系外惑星高分散リトリーバルExoJAX：広帯域化アルゴリズム (2023)
  • 著者名/発表者名: 河原 創、他、ExoJAX contributors
  • 学会等名: 日本天文学会2023年春季年会
• [学会発表] 系外惑星大気探査のためのオープンソース・プロジェクト: ExoJAX (2022)
  • 著者名/発表者名: 河原 創、他、ExoJAX contributors
  • 学会等名: 日本天文学会2022年秋季年会
• [学会発表] JASMINE (2022)
  • 著者名/発表者名: 河原 創, JASMINE collaboration
  • 学会等名: ISAS Astrobiology Exploration Symposium (ABEX)
  • 招待講演
• [学会発表] 太陽系外惑星・褐色矮星の高分散キャラクタリゼーションのための自動微分可能なスペクトルモデル (2021)
  • 著者名/発表者名: 河原創 (東大), 川島由依 (理研), 増田賢人 (大阪大), Ian J.M. Crossfield (U. Kansas)
  • 学会等名: 日本天文学会秋期年会
• [備考] ExoJAX
  • URL: https://github.com/HajimeKawahara/exojax