アルマ望遠鏡データを利用した惑星上層大気力学の観測的研究

2020 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 20K04046
• 研究機関: 京都産業大学
• 研究代表者: 佐川 英夫 京都産業大学, 理学部, 教授 (40526034)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 惑星大気 / 地上観測 / アルマ望遠鏡 / 火星大気 / 金星大気 / JCMT

研究実績の概要

アルマ望遠鏡を利用して取得された火星・金星データの解析を実施している。解析を進める中で、アルマ望遠鏡の輝度較正システムに、惑星大気の観測データに対して有意な誤差を引き起こす不具合が存在していることが判明した。
アルマ望遠鏡は干渉計データ（相互相関ビジビリティ）を取得する際に、観測天体自身の自己相関ビジビリティで予め規格化したものを記録している。その規格化されたビジビリティを較正する際には、観測天体とは異なる電波源（地球大気の放射）の自己相関ビジビリティの情報を用いている。観測天体自身の自己相関ビジビリティには観測天体の前景に相当する地球大気からの電波放射も含まれており、一般的な天文観測（遠方の暗い天体が観測対象）では、むしろ前景の地球大気放射の方が自己相関ビジビリティに支配的に含まれている場合も多い。そのため、上記のような輝度較正方法でも特に大きな問題は生じないが、その一方で、惑星大気のように空間的に広がった強い電波源を観測した場合には、規格化する際とその較正時とで利用される自己相関データの差異が大きくなり、結果として、本来の惑星大気スペクトルの相互相関ビジビリティが正しくは復元されないことになる。
2020年度は、アルマ望遠鏡の専門家との議論を重ねつつ、この問題が火星・金星データの解析に実際問題としてどの程度の影響を及ぼしているかを精査した。その知見をもとに、誤差導入の不具合を（可能な限り）解決するための再解析プログラムを作成した。
また、10月にはマウナケアのJCMT単一鏡をリモートで利用して金星大気の観測を実施した。この観測は、水星探査機ベピコロンボの金星フライバイ観測の時期とも重なっており、探査機と地上望遠鏡の観測を連携させたデータ解析に繋げる予定である。

現在までの達成度 (区分)

4: 遅れている

理由

(1) 当初の計画では、年度の早い段階で海外の研究協力者との研究打ち合わせをface-to-faceの直接会合で行い、アルマ望遠鏡の観測結果と比較すべき金星上層大気大循環モデルの数値実験に着手する予定であったが、COVID-19の世界的感染拡大によって、それらの議論開始が大幅に遅れることになった。
(2) また、アルマ望遠鏡を利用した火星大気の追加観測（望遠鏡の空き時間の補充観測提案として採択されていたもので、2020年8月付近に観測が実施される予定であった）も、アルマ観測所の閉鎖（2020年3月からほぼ1年の期間）に伴い、観測不可能となった。
(3) 既に取得されたデータの解析に関しては、輝度較正の不確定性問題が当初の見通し以上に根深く、COVID-19によりアルマ望遠鏡関係者との議論が間延びになってしまったことなども影響して、問題解決方法を導き出すまでに時間を要した。
これらの遅延に関しては、徐々にではあるが研究進度復旧の目処が立ちつつある。
(1)については、Zoomのオンライン会議システムを用いた研究打ち合わせで対応し、(3)についても2020年度末の段階で不具合解決用の再解析プログラムをテストする段階まで来ている。(2)に関しては残念ながらリカバリーが不可能であり（既に火星が地球から遠ざかってしまったため）、次期観測好機に観測計画を再提案する必要がある。

今後の研究の推進方策

2021年度は、前年度の遅れを取り戻すべく、以下の課題に集中的に取り組む。
(1) アルマデータの輝度較正不具合への対処。不具合解決の為の再解析プログラムを現在テスト中である。その効果を評価し、不具合修正が上手く機能していることが確定すれば、他の金星データに対しても同様の再解析処理を行う。その結果を論文としてまとめ、学術誌に投稿する。
(2) (1)の結果を受け、再処理した金星アルマデータと金星上層大気大循環モデルのシミュレーション結果とを比較する。
現在の見通しとしては、年度前半に(1)を達成し、年度後半は(2)に専念することが可能であると考えている。

次年度使用額が生じた理由

COVID-19の影響で海外望遠鏡を利用した観測が中止となり（一部はオンライン操作を利用してのリモート観測で実施）、また、国際学会への出張および海外の研究協力者との研究打ち合わせ出張が全てキャンセルとなったため、海外出張旅費として計上していた分が執行されなかった。この旅費に関しては、2021年度に計画されている観測への出張旅費として（COVID-19の状況が許すようであれば）利用する計画である。
また、2020年度中には新規観測が実施されなかった関係で、それらの新規観測データの解析処理用に当初想定していた計算機の購入も2021年度に繰り越すこととした。

研究成果

• [国際共同研究] Belgian Institute for Space Aeronomy(ベルギー)
  • 国名: ベルギー
  • 外国機関名: Belgian Institute for Space Aeronomy
• [国際共同研究] Cardiff University(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: Cardiff University
• [国際共同研究] Space Science Institute/Massachusetts Institute of Technology(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Space Science Institute/Massachusetts Institute of Technology
• [国際共同研究] National Institute of Astrophysics(イタリア)
  • 国名: イタリア
  • 外国機関名: National Institute of Astrophysics
• [国際共同研究] Observatoire de Paris(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: Observatoire de Paris
• [国際共同研究]
  • 他の国数: 1
• [雑誌論文] HDO and SO2 thermal mapping on Venus (2020)
  • 著者名/発表者名: Encrenaz T.、Greathouse T. K.、Marcq E.、Sagawa H., Widemann T., Bezard B., Fouchet T., Lefevre F., Lebonnois S., Atreya S. K., Lee Y. J., Giles R., Watanabe S., Shao W., Zhang X., Bierson C. J.
  • 雑誌名: Astronomy & Astrophysics 巻: 639 ページ: A69-A69
  • DOI: 10.1051/0004-6361/202037741
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Dayside cloud top structure of Venus retrieved from Akatsuki IR2 observations (2020)
  • 著者名/発表者名: Sato T.M., Satoh T., Sagawa H., Manago N., Lee Y.J., Murakami S., Ogohara K., Hashimoto G.L., Kasaba Y., Yamazaki A., Yamada M., Watanabe S., Imamura T., Nakamura M.
  • 雑誌名: Icarus 巻: 345 ページ: 113682-113682
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2020.113682
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Phosphine gas in the cloud decks of Venus (2020)
  • 著者名/発表者名: Greaves J. S., Richards A. M. S., Bains W., Rimmer P. B., Sagawa H., Clements D. L., Seager S., Petkowski J. J., Sousa-Silva C., Ranjan S., Drabek-Maunder E., Fraser H. J., Cartwright A., Mueller-Wodarg I., Zhan Zh., Friberg P., Coulson I., Lee E., Hoge J.
  • 雑誌名: Nature Astronomy 巻: － ページ: －
  • DOI: 10.1038/s41550-020-1174-4
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A stringent upper limit of the PH3 abundance at the cloud top of Venus (2020)
  • 著者名/発表者名: Encrenaz T., Greathouse T. K., Marcq E., Widemann T., Bezard B., Fouchet T., Giles R., Sagawa H., Greaves J., Sousa-Silva C.
  • 雑誌名: Astronomy & Astrophysics 巻: 643 ページ: L5-L5
  • DOI: 10.1051/0004-6361/202039559
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A Belt-like Distribution of Gaseous Hydrogen Cyanide on Neptune’s Equatorial Stratosphere Detected by ALMA (2020)
  • 著者名/発表者名: Iino T., Sagawa H., Tsukagoshi T., Nozawa S.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 903 ページ: L1-L1
  • DOI: 10.3847/2041-8213/abbb9a
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] SPICAが切り拓くサイエンス:「太陽系・系外惑星」 (2020)
  • 著者名/発表者名: 平野照幸、大坪貴文、佐川英夫
  • 雑誌名: 天文月報 巻: 113 ページ: 784-794
  • オープンアクセス
• [学会発表] Searching minor species on Venus atmosphere using the high-dispersion spectra taken by IRTF/iSHELL (2020)
  • 著者名/発表者名: Hideo Sagawa, Takao M. Sato, Hajime Kita
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Recent advances in the solar system science brought by ALMA observations (2020)
  • 著者名/発表者名: Hideo Sagawa, Takahiro Iino
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • 国際学会