| 研究課題/領域番号 |
18K13601
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
藤井 友香 東京工業大学, 地球生命研究所, 特任准教授 (20713944)
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| 研究期間 (年度) |
2019-02-01 – 2022-03-31
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| キーワード | 系外惑星 / 惑星大気 |
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| 研究実績の概要 |
近い将来、JWSTや30メートル望遠鏡などによって、低質量星周りの地球型惑星の大気の分光観測が初めて可能になると期待されている。低質量星周りの惑星は、主星のスヘぺクトル型や、主星による潮汐力の影響で同期回転しているであろう点で、地球とは異なる状況下にある。それらをふまえて、本研究では、低質量星周りの地球型惑星の表層環境やその検出方法を検討している。本年度は主に、(1) 入射紫外スペクトルの違いがバイオマーカー分子の大気中での安定性に及ぼす影響と、(2) 低質量星周りの地球型惑星大気組成を検出する新しいアプローチとしての中間赤外領域における高分散分光の可能性について検討した。
まず(1)については、生物活動起源のいくつかの揮発性有機分子が系外惑星のバイオマーカー候補になること、そしてそれらは酸化的な大気中でも低質量星の紫外スペクトルの下では比較的安定となりうることに着目し、バイオマーカー候補となる分子の分光特性と、さまざまな酸化度の大気の中における大気中での安定性（混合率）を調べた。
また、(2)については、主星ー惑星のコントラストが改善する中間赤外線領域では高分散分光で惑星スペクトルの成分を抽出できる可能性があることに注目し、二酸化炭素、水、オゾンなどのハビタビリティーに密接に関わる大気分子の検出可能性を検討した。検出器の系統誤差を十分抑えることができれば、計画中の赤外宇宙望遠鏡で現実的な時間内で検出できる可能性があることが分かった。
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| 現在までの達成度 (区分) |
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
まず、系外惑星のバイオマーカー候補としての生物活動起源の揮発性有機分子に注目し、地球化学者などとそれらの生物特有性や分光特性を検討した。ただし、分子によっては、吸収線のデータベースが不足しており実験も難しいことが分かった。これらの有機分子の低質量星回りでの安定性を、1D光化学モデルAtmosによる計算と有機分子の拡散モデルを組み合わせることで調べた。また、一部の設定は3次元気候モデルROCKE-3Dでも調べた。酸化的な大気中においては、地球上で生物圏からのフラックスが大きいイソプレンは低質量星周りでも混合率を上げることが難しい一方で、比較的分子量の小さな有機分子はメタン以外にもいくつかの種について検出可能なレベルまで安定性が向上する可能性があることが示唆された。
一方で、中間赤外領域の高分散分光を用いた地球型惑星の大気組成の検出可能性を調べるため、惑星熱輻射の高分散スペクトルをさまざまな大気組成に対して計算し、その特性を調べた。また、中間赤外領域における高分散分光を初めて可能にするSPICAやOSTなどの将来計画を念頭に模擬観測を行い、解析のフレームワークを整理した上で、検出に必要な観測時間などを見積もった。ノイズフロアを主星ー惑星のコントラスト程度以下に抑えることができれば、口径2.5メートルを予定するSPICAでも太陽系にもっとも近い温暖な地球型惑星の大気の検出が狙えることが示唆された。また、より大口径で計画されているOSTなどでは、太陽系近傍の探査も現実的になることが分かった。
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| 今後の研究の推進方策 |
現在、分子の大気中での安定性を調べるために既存の1次元光化学モデルを利用しているが、大気中の光化学反応は、大気中の酸化度はもちろん、考慮する分子種の範囲や、表面温度で決まる水蒸気量など、さまざまな条件によって左右される。今後、暗に仮定されているプロセスの妥当性を検討するとともに、大気の主成分や温度、大気圧などのパラメータ依存性を整理していく。また、低質量周りの温暖な岩石惑星は潮汐力によって同期回転している可能性が高く、大気がある場合は特有の循環パターンが想定される。この効果を取り入れるため、3次元モデルなどを用いた検討を進めていく。また、バイオマーカー候補分子の安定性という観点だけでなく、惑星表層における熱輸送や水蒸気分布なども含めて、観測量に影響を及ぼす特徴について惑星パラメータや大気組成への依存性を調べる。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
使用金額が当初の予定’より少なくなった大きな理由は、当初は2回の海外渡航を予定していたのに、子の誕生により子育てのために長期出張は一回までとしたからである。その分次年度の海外渡航に使いたいところであったが、2020年度はコロナウィルスの影響で再び海外渡航の頻度が下がる可能性が高いため、ノートパソコンなどの設備備品代や有料ソフトウェア代に使う予定である。
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