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天文学概論(第6回)

系外惑星 1
∼異形の惑星たち∼

東京工業大学 佐々木貴教
系外惑星 1
∼異形の惑星たち∼
・太陽系外惑星発見の歴史
・系外惑星の観測手法(直接&間接)
・有名な系外惑星の紹介
次回:系外惑星 2 ∼「第2の地球」へ向けて∼
・系外惑星の統計データ
・太陽系形成論から汎惑星形成論へ
・生命を宿す惑星の...
太陽系外惑星発見の歴史
太陽系外惑星
太陽系:太陽を中心とする我々の住む惑星系
    (水・金・地・火・木・土・天・海)
太陽系外惑星:太陽以外の恒星の周りを回る惑星系
太陽系外惑星が見つからない
1940∼60年代:
 白鳥座61番星のまわりに惑星発見? → 間違い
  
 バーナード星のまわりに2つの惑星発見? → 間違い
1989年:
 アメリカの観測チーム「惑星は検出できなかった」

1993年:
 ニ...
ところが・・・
1995年10月

Mayor & Queloz (スイスの観測チーム)
人類初の系外惑星検出!
ペガサス座51番星の周りに Hot Jupiter が存在!
人類初の系外惑星発見まで
Cambell & Walker (カナダチーム:不運)
・1978年に現在主流の観測手法のアイデアを提案
・21個の恒星を観測するが、惑星は検出できず
 (※巨大惑星の検出確率は5%程度)
・21個のうち2個には、そ...
人類初の系外惑星発見まで
Marcy & Butler (アメリカチーム:本命)
・7年間にわたり60個の恒星を調査
・しかし、データ解析を進めていなかった!
 (※太陽系の先入観:木星の公転周期12年)
・データ解析後、半年間で4個の惑星を次...
太陽系外惑星が続々と見つかる

発見数

2013年10月30日現在
約1000個の系外惑星を発見!

発見年
異形の惑星たち(1)

木星

地球

地球より内側の軌道に
木星を超える巨大惑星
Hot Jupiter

灼熱の惑星

中心星の熱で高温になり
大気が膨張・流出している
異形の惑星たち(2)
軌道離心率が高い惑星が多い
(楕円軌道を描く惑星が多い)

木星
地球
Eccentric Planet

楕円軌道

極暑・極寒を繰り返す
異形の惑星たち(3)
Super Earth
惑星質量が地球の
数倍∼10倍
程度の地球型惑星

地球
系外惑星の観測手法
間接法1:アストロメトリ法
恒星と惑星は共に共通重心の周りを
回っている
 → 恒星の重心からのずれを観測

地上望遠鏡による検出は極めて困難
間接法2:視線速度法
恒星が観測者に近づいたり
遠ざかったりする
 → ドップラー効果によって
   星の色が周期的に変化
 → 恒星の速度の変化を観測

惑星質量の下限値のみが決定
中心星に近く質量の大きい惑星
ほど発見しやすい(選択効果)
1995年 初めての系外惑星発見
1995

51 Pegasi b

46

この後最も多くの系外惑星が
本手法で発見されている
間接法3:トランジット法
惑星が恒星の前を通過する際に明るさが変化する
 → 周期的な明るさの変化(恒星食)を観測
惑星の正確な質量が求まる → 惑星の密度が求まる
分光観測から惑星の大気成分が検出可能

惑星が恒星のちょうど前面を通過する確率...
Secondary Eclipse
惑星が恒星の後ろを通過する際に明るさが変化する
 → 分光観測により惑星の特徴を観測
わかること
惑星の大気成分
惑星の昼側の温度
惑星の温度分布
惑星の熱輸送効率
惑星の軌道離心率
トランジット法による観測例

HAT-P-7b
間接法4:重力レンズ法
天体の周りでは空間が歪み、光の経路が曲がる
 → ある恒星の前を別の恒星(惑星)が横切ると
   背後の恒星の光が増光される
 → 惑星による背後の恒星の光の増光を観測
軌道半径1 3AUにある
小さな惑星が検出可能
検...
重力レンズ法による観測例

OGLE-2005-BLG-390
間接法の種類と特徴のまとめ
名称

方法

特徴

アストロメトリ法 恒星の位置のずれ 地上からは難しい
視線速度法
(ドップラー法)
トランジット法
重力レンズ法

恒星の動きの速さ

これまでで最も
多数の惑星を発見

惑星による

惑星の...
直接撮像
惑星と中心星の光を分離し、惑星を直接撮像する
コロナグラフ:中心星の部分だけを隠す
補償光学 (AO):大気による画像の揺らぎを補正
コロナグラフなし

コロナグラフあり

長波長では惑星自体の熱放射のため両者
の明るさの比は多少緩和...
直接撮像成功!

HR 8799
GJ 758
有名な系外惑星の紹介
51 Pegasi b
1995年10月
人類史上初の系外惑星発見
発見者:

M. Mayor & D. Queloz
軌道長半径=0.052AU
公転周期=4.23077日
地球からの距離=約50光年
典型的な Hot Jupiter
Fomalhaut b
2004年 & 2006年 史上初の系外惑星直接撮像
惑星より外側の軌道に塵の円盤が観測されている
HD 209458b
初めてトランジットが観測
された系外惑星
初めて大気成分が観測された
 下層部:ナトリウム
 上層部:水素・炭素・酸素
表面温度も観測:約1200℃
2009年10月
 水・メタン・二酸化炭素の
 存在も確認された
HD 149026b
すばる望遠鏡を用いて
佐藤文衛らによって発見
巨大な中心核を持つガス惑星
(地球の67倍の質量)
標準的な惑星形成論では
地球の10倍以上の質量の
核を持つことは難しい
表面温度は約2300Kと
過去の観測で最も高温

木...
Kepler-11
中心星の近くに6つの惑星が密集
TTVにより惑星の質量が決定
主に岩石とガス(と水)からなる

b:0.014M木星
c:0.043M木星
d:0.019M木星
e:0.026M木星
f:0.007M木星
g:<0.95M木...
Kepler-16b
2011年9月16日発表
2つの中心星を持つ「周連星惑星」を初めて発見
A:0.69M太陽
B:0.20M太陽
b:0.33M木星

(c) Star Wars
Kepler-62e, f
ハビタブルゾーン内に2つの地球型惑星を発見
(ハビタブルゾーン:表面に液体の水が存在可能)
Kepler-37b, c
地球より小さな半径を持つ岩石惑星をついに発見
これまでに見つかった惑星の中で最小
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20131030

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  1. 1. 天文学概論(第6回) 系外惑星 1 ∼異形の惑星たち∼ 東京工業大学 佐々木貴教
  2. 2. 系外惑星 1 ∼異形の惑星たち∼ ・太陽系外惑星発見の歴史 ・系外惑星の観測手法(直接&間接) ・有名な系外惑星の紹介 次回:系外惑星 2 ∼「第2の地球」へ向けて∼ ・系外惑星の統計データ ・太陽系形成論から汎惑星形成論へ ・生命を宿す惑星の発見へ向けて
  3. 3. 太陽系外惑星発見の歴史
  4. 4. 太陽系外惑星 太陽系:太陽を中心とする我々の住む惑星系     (水・金・地・火・木・土・天・海) 太陽系外惑星:太陽以外の恒星の周りを回る惑星系
  5. 5. 太陽系外惑星が見つからない 1940∼60年代:  白鳥座61番星のまわりに惑星発見? → 間違い     バーナード星のまわりに2つの惑星発見? → 間違い 1989年:  アメリカの観測チーム「惑星は検出できなかった」 1993年:  ニュージーランドの観測チーム「惑星は検出できなかった」 1995年2月:論文「太陽系は特殊で奇跡的な惑星系である」 1995年8月:論文「太陽系以外に惑星は存在せず」
  6. 6. ところが・・・ 1995年10月 Mayor & Queloz (スイスの観測チーム) 人類初の系外惑星検出! ペガサス座51番星の周りに Hot Jupiter が存在!
  7. 7. 人類初の系外惑星発見まで Cambell & Walker (カナダチーム:不運) ・1978年に現在主流の観測手法のアイデアを提案 ・21個の恒星を観測するが、惑星は検出できず  (※巨大惑星の検出確率は5%程度) ・21個のうち2個には、その後惑星が検出された ・別途報告した連星でも、その後惑星が検出された Latham (アメリカチーム:やはり不運) ・1989年に恒星の周りを回る天体を検出 ・その後質量が決定、惑星としてカウントされた
  8. 8. 人類初の系外惑星発見まで Marcy & Butler (アメリカチーム:本命) ・7年間にわたり60個の恒星を調査 ・しかし、データ解析を進めていなかった!  (※太陽系の先入観:木星の公転周期12年) ・データ解析後、半年間で4個の惑星を次々と発見 Mayor & Queloz (スイスチーム:ダークホース) ・1994年4月:惑星探しプロジェクト開始 ・1994年9月:最初にペガサス座51番星を観測 ・1995年7月:再観測を行い惑星発見を確定
  9. 9. 太陽系外惑星が続々と見つかる 発見数 2013年10月30日現在 約1000個の系外惑星を発見! 発見年
  10. 10. 異形の惑星たち(1) 木星 地球 地球より内側の軌道に 木星を超える巨大惑星
  11. 11. Hot Jupiter 灼熱の惑星 中心星の熱で高温になり 大気が膨張・流出している
  12. 12. 異形の惑星たち(2) 軌道離心率が高い惑星が多い (楕円軌道を描く惑星が多い) 木星 地球
  13. 13. Eccentric Planet 楕円軌道 極暑・極寒を繰り返す
  14. 14. 異形の惑星たち(3) Super Earth 惑星質量が地球の 数倍∼10倍 程度の地球型惑星 地球
  15. 15. 系外惑星の観測手法
  16. 16. 間接法1:アストロメトリ法 恒星と惑星は共に共通重心の周りを 回っている  → 恒星の重心からのずれを観測 地上望遠鏡による検出は極めて困難
  17. 17. 間接法2:視線速度法 恒星が観測者に近づいたり 遠ざかったりする  → ドップラー効果によって    星の色が周期的に変化  → 恒星の速度の変化を観測 惑星質量の下限値のみが決定 中心星に近く質量の大きい惑星 ほど発見しやすい(選択効果)
  18. 18. 1995年 初めての系外惑星発見 1995 51 Pegasi b 46 この後最も多くの系外惑星が 本手法で発見されている
  19. 19. 間接法3:トランジット法 惑星が恒星の前を通過する際に明るさが変化する  → 周期的な明るさの変化(恒星食)を観測 惑星の正確な質量が求まる → 惑星の密度が求まる 分光観測から惑星の大気成分が検出可能 惑星が恒星のちょうど前面を通過する確率は低い
  20. 20. Secondary Eclipse 惑星が恒星の後ろを通過する際に明るさが変化する  → 分光観測により惑星の特徴を観測 わかること 惑星の大気成分 惑星の昼側の温度 惑星の温度分布 惑星の熱輸送効率 惑星の軌道離心率
  21. 21. トランジット法による観測例 HAT-P-7b
  22. 22. 間接法4:重力レンズ法 天体の周りでは空間が歪み、光の経路が曲がる  → ある恒星の前を別の恒星(惑星)が横切ると    背後の恒星の光が増光される  → 惑星による背後の恒星の光の増光を観測 軌道半径1 3AUにある 小さな惑星が検出可能 検出確率は低い 観測は1回きり
  23. 23. 重力レンズ法による観測例 OGLE-2005-BLG-390
  24. 24. 間接法の種類と特徴のまとめ 名称 方法 特徴 アストロメトリ法 恒星の位置のずれ 地上からは難しい 視線速度法 (ドップラー法) トランジット法 重力レンズ法 恒星の動きの速さ これまでで最も 多数の惑星を発見 惑星による 惑星の密度や 恒星の食 大気成分が求まる 惑星重力による 検出確率小、 空間の歪み 軌道半径1~3AU
  25. 25. 直接撮像 惑星と中心星の光を分離し、惑星を直接撮像する コロナグラフ:中心星の部分だけを隠す 補償光学 (AO):大気による画像の揺らぎを補正 コロナグラフなし コロナグラフあり 長波長では惑星自体の熱放射のため両者 の明るさの比は多少緩和されるが、それ でも約1000万倍となる。 ム層 ザー は約100億倍にも達する。中間赤外より  地上観測の最大の障壁は地球大気の揺 らぎが起こすかげろうである。 現在、 すば る望遠鏡などの口径8∼10m級の地上大 望遠鏡では、大気揺らぎを時々刻々と補 コロナグラフ 正する補償光学や、明るい恒星を隠すコ ロナグラフなどを用いて、 年齢の若い巨大 補償光学 惑星の検出などが試みられている(図 ) 。
  26. 26. 直接撮像成功! HR 8799 GJ 758
  27. 27. 有名な系外惑星の紹介
  28. 28. 51 Pegasi b 1995年10月 人類史上初の系外惑星発見 発見者: M. Mayor & D. Queloz 軌道長半径=0.052AU 公転周期=4.23077日 地球からの距離=約50光年 典型的な Hot Jupiter
  29. 29. Fomalhaut b 2004年 & 2006年 史上初の系外惑星直接撮像 惑星より外側の軌道に塵の円盤が観測されている
  30. 30. HD 209458b 初めてトランジットが観測 された系外惑星 初めて大気成分が観測された  下層部:ナトリウム  上層部:水素・炭素・酸素 表面温度も観測:約1200℃ 2009年10月  水・メタン・二酸化炭素の  存在も確認された
  31. 31. HD 149026b すばる望遠鏡を用いて 佐藤文衛らによって発見 巨大な中心核を持つガス惑星 (地球の67倍の質量) 標準的な惑星形成論では 地球の10倍以上の質量の 核を持つことは難しい 表面温度は約2300Kと 過去の観測で最も高温 木星
  32. 32. Kepler-11 中心星の近くに6つの惑星が密集 TTVにより惑星の質量が決定 主に岩石とガス(と水)からなる b:0.014M木星 c:0.043M木星 d:0.019M木星 e:0.026M木星 f:0.007M木星 g:<0.95M木星
  33. 33. Kepler-16b 2011年9月16日発表 2つの中心星を持つ「周連星惑星」を初めて発見 A:0.69M太陽 B:0.20M太陽 b:0.33M木星 (c) Star Wars
  34. 34. Kepler-62e, f ハビタブルゾーン内に2つの地球型惑星を発見 (ハビタブルゾーン:表面に液体の水が存在可能)
  35. 35. Kepler-37b, c 地球より小さな半径を持つ岩石惑星をついに発見 これまでに見つかった惑星の中で最小
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