還元型系外惑星大気における有機物エアロゾルの実験的研究

2011 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 11J06087
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 洪 鵬 東京大学, 大学院・新領域創成科学研究科, 特別研究員(DC1)
• キーワード: 惑星大気 / 光化学 / 系外惑星 / 海底熱水 / タイタン / メタン / アルゴン同位体比 / 脱ガス史

研究概要

惑星形成論によると地球型系外惑星は、非常に大量の水を持つ可能性が高いと予想されており、そのような「海惑星」が今後発見される確率が高い。このような海惑星において、海底熱水噴出孔から還元的なガスが脱ガスすることに注目し、海惑星の大気は還元的になりやすいという仮説を立てた。実際、地球ではマグマ中の熱力学条件の違いによって、海底熱水噴出孔からの脱ガス組成は、メタンや水素に富んだ還元的な組成であることが観測されている。この仮説を検証するため、まず熱水噴出孔での熱力学平衡計算を行い、水圧の変化に対する脱ガス組成の変化を求めた。その結果、比較的酸化的な岩石組成であっても、深い海があれば、海底熱水噴出孔からは極めて還元的な組成のガスが脱ガスすることがわかった。次にそのような還元的なガスが海底から噴出された時の、大気組成に与えられる変化を、光化学モデルを構築して計算した。計算の結果、海惑星が現在の地球と同程度かそれ以上の熱水噴出活動を行えば、メタンに富む還元的な大気組成を持つことがわかった。この結果は、海水量と大気組成に相関関係が存在することを示唆するとともに、海惑星では有機物エアロゾルの生成が起こりやすいことを示している。
一方で、土星の衛星タイタンは分厚い還元的な大気を持つ、太陽系内で唯一の惑星であり、原始地球や系外惑星と類似している。しかしその大気がいつから存在していたのかは不明であった。そこで大気中の微量元素であるアルゴンの同位体比に着目して、タイタン大気の脱ガス史に制約を与えた。アルゴン脱ガスモデルによって、タイタンはその初期に表層が大規模に融解・脱ガスした可能性が高いことがわかった。このことは、タイタンの形成時間が、一般的な円盤集積モデルで予想されるよりも短く、またタイタン内部もこれまで考えられていたような未分化状態ではなく、分化している可能性が高いことを示唆している。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

惑星大気中での化学反応を理解するのに必須である、光化学モデルは概ね完成しつつある。一方で有機物エアロゾルの実験に必要な実験機器をいくつか導入し、試験にも成功したので、実験のほうもデータを量産する目途がたった。有機物エアロゾルと推測されるスペクトルが観測された地球型系外惑星のスペクトルデータも入手することができた。
このように、交付申請書に記載した程度の進展が見られたが、一方で全く別の方向で新たな研究の方向性(アルゴン同位体比から迫るタイタン大気脱ガス史)も開けた。これらを総合して判断して、研究の進展度を(2)とした。

今後の研究の推進方策

光化学モデルと放射伝達モデルを結合し、これまで独立に議論されてきた、大気の温度と大気組成を自己矛盾無く解けるようにする。一方で有機物エアロゾルの生成実験を行い、放射場に与える影響を調べる。その際、エアロゾルの微物理モデルを開発している海外の研究機関と連携を行うことを構想している。

研究成果

• [雑誌論文] A ground-based observation of the LCROSS impact events using the Subaru Telescope (2011)
  • 著者名/発表者名: Peng K.Hong, Seiji Sugita, Natsuko Okamura, Yasuhito Sekine, Hiroshi Terada, Naruhisa Takatoh, Yutaka Hayano, Tetsuharu Fuse, Tae-Soo Pyo, Hideyo Kawakita, Diane H.Wooden, Eliot F.Young, Paul G.Lucey, Kosuke Kurosawa, Hidenori Genda, Junichi Haruyama, Reiko Furusho, Toshihiko Kadono, Ryosuke Nakamura, Shunichi Kamata, Taiga Hamura, Tomohiko Sekiguchi, Mitsuru Soma, Hirotomo Noda, Jun-ichi Watanabe
  • 雑誌名: ICARUS 巻: 214 ページ: 21-29
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2011.05.008
  • 査読あり
• [学会発表] 大気中のアルゴン量と同位体比から制約するタイタン脱ガス史 (2012)
  • 著者名/発表者名: 洪鵬, 関根康人, 長勇一郎, 杉田精司
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合大会
  • 発表場所: 幕張メッセ(発表確定)
  • 年月日: 2012-05-24
• [学会発表] 系外地球型惑星における大気組成と海水量の関係 (2012)
  • 著者名/発表者名: 洪鵬, 関根康人, 杉田精司
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合大会
  • 発表場所: 幕張メッセ(発表確定)
  • 年月日: 2012-05-22
• [学会発表] Reducing Atmospheres on Terrestrial Exoplanets with Deep Surface Oceans (2012)
  • 著者名/発表者名: Peng K.Hong, Yasuhito Sekine, Seiji Sugita
  • 学会等名: Astrobiology Science Conference 2012
  • 発表場所: ジョージア工科大学ジョージア州、米国(発表確定)
  • 年月日: 2012-04-19
• [学会発表] 光化学大気モデルの構築と地球型系外惑星への応用 (2011)
  • 著者名/発表者名: 洪鵬, 関根康人, 杉田精司
  • 学会等名: 日本惑星科学会2011秋季講演会
  • 発表場所: 相模女子大学
  • 年月日: 2011-10-25