[論文レビュー] On the feasibility of studying the exospheres of Earth-like exoplanets by Lyman-alpha monitoring. Detectability constraints for nearby M stars

Ana I. Gómez de Castro, Leire Beitia-Antero+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 24, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、4〜8メートル級の宇宙望遠鏡を用いて、恒星間および星間惑星圏の吸収が存在する中でも、近くのM型の星を回る地球型系外惑星がリプマンアルファ転位モニタリングによって研究可能であることを示している。プロキシマ・ケンタウリbに対しては2メートル級の望遠鏡（WSO-UVなど）でも検出可能であり、極度の星間環境下でも大気および空間weaer研究が可能になる。

ABSTRACT

Observations of the Earth's exosphere have unveiled an extended envelope of hydrogen reaching further than 10 Earth radii composed of atoms orbiting around the Earth. This large envelope increases significantly the opacity of the Earth to Lyman-alpha (Lya) photons coming from the Sun, to the point of making feasible the detection of the Earth's transit signature from 1.35 pc if pointing with an 8~meter primary mirror space telescope through a clean line of sight (NH < 1e17 cm-2), as we show. In this work, we evaluate the potential detectability of Earth analogues orbiting around nearby M-type stars by monitoring the variability of the Lya flux. We show that, in spite of the interstellar, heliospheric and astrospheric absorption, the transit signature in M5 V type stars would be detectable with a dedicated Lya flux monitor implemented in a 4-8 m class space telescope. Such monitoring programs would enable measuring the robustness of planetary atmospheres under heavy space weather conditions like those produced by M-type stars. A 2-m class telescope, such as the World Space Observatory, would suffice to detect an Earth-like planet orbiting around Proxima Centauri, if there was such a planet or nearby M5 type stars.

研究の動機と目的

• 近隣のM型星を回る地球型系外惑星のエクソエースフェアの検出可能性を、リプマンアルファ転位モニタリングによって評価すること。
• 恒星間、ヘリオスフェア、および星間惑星圏の吸収がリプマンアルファ信号の検出可能性に与える影響を評価すること。
• 転位深さの変動を通じてエクソエースフェアの水素大気膜を検出するための望遠鏡サイズと観測条件を特定すること。
• 強い星間活動下での大気脱出および空間weaer効果を解明するためのリプマンアルファモニタリングの可能性を調査すること。
• 今後のミッションがM型矮星の居住領域に位置する地球類似惑星を標的とする際の定量的検出閾値を提示すること。

提案手法

• 観測された水素分布データを用いて、太陽のリプマンアルファ光子が地球のエクソエースフェアを通過する際の透過率をモデル化すること。
• 異なる吸収状況下で、M型矮星（M5VおよびM0V）を回る地球型惑星の理論的リプマンアルファ光曲線を計算すること。
• 信号対雑音比（SNR = 3）の閾値を、式 $ \eta = \chi \left( \frac{1 + 4F_{\text{Back}}/F^{*}_{\text{Ly}\alpha}}{F^{*}_{\text{Ly}\alpha}} \right) $ を用いて適用し、ここで $ \chi $ は転位深さおよび有効面積に依存する。
• プロキシマ・ケンタウリおよびAU Micの観測されたリプマンアルファ放射束を用いて、異なる望遠鏡開口部に対応する検出可能性曲線を補正すること。
• 水素のスケール高さ（κ = 1 から 40）および恒星間吸収（0% から 90%）を変化させた転位光曲線のシミュレーションを行い、検出可能性の余裕を評価すること。
• 100回の転位を合成して信号を統合すると仮定し、望遠鏡サイズ（2 m から 8 m）および星のリプマンアルファ放射束の観点から検出可能性を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リプマンアルファ転位モニタリングは、近くのM型星を回る地球型系外惑星の拡張された水素エクソエースフェアを検出可能か？
• RQ2 恒星間および星間惑星圏の吸収を考慮した場合、このような転位を検出するための最小望遠鏡開口径は何か？
• RQ3 エクソエースフェア内の水素の分布は、リプマンアルファ転位信号の深さおよび形状にどのように影響するか？
• RQ4 星間活動およびリプマンアルファ放射束の変動は、検出閾値にどの程度影響を及えるか？
• RQ5 LUVOIR や EUVO などの今後の宇宙望遠鏡は、M型矮星の居住領域に位置する地球型系外惑星をリプマンアルファ転位シグナルによって検出可能か？

主な発見

• 8メートル級の宇宙望遠鏡は、恒星間吸収が90％未満の場合、M5V型星（例：プロキシマ・ケンタウリ）を回る地球型惑星のリプマンアルファ転位シグナルをSNR = 3で検出可能である。
• プロキシマ・ケンタウリのリプマンアルファ放射束が約10⁻¹³ erg cm⁻² s⁻¹以上であり、100回の転位を合成した場合、2メートル級の望遠鏡（WSO-UVなど）でも同様の転位を検出可能である。
• F_Lyα = 10⁻¹³ erg cm⁻² s⁻¹ のM5V型星に対して、望遠鏡サイズを4 mから8 mに増大させると、SNR = 3を達成するための露出時間は40倍短縮される。
• 同じリプマンアルファ放射束のM0V型星に対しては、有効観測時間または開口部を100倍に増大させる必要がある。
• リプマンアルファの転位深さは水素のスケール高さに敏感であり、κ = 40では高い吸収条件下でも検出可能な信号を生じる。
• 太陽から5 pc以内に80個のM型星が存在し、そのうち47個が単一星であるため、今後のエクソエースフェアのリプマンアルファモニタリング調査のための実現可能な標的群が得られる。