[論文レビュー] The Earth as an extrasolar transiting planet: Earth's atmospheric composition and thickness revealed by Lunar eclipse observations

A. Vidal‐Madjar, L. Arnold+25 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Jun 30, 2010

Atmospheric Ozone and Climate参考文献 45被引用数 36

ひとこと要約

本研究では、月食の観測を用いて地球を系外惑星としての通過を模擬し、高分解能分光法を用いて大気の組成を明らかにした。オゾン、酸素分子、ナトリウム、レイノルズ散乱の特徴を明確に検出できた。地上望遠鏡に搭載された高安定性分光計を用いることで、地球型系外惑星の大気中の主要バイオシグネチャを検出可能であることを示した。

ABSTRACT

An important goal within the quest for detecting an Earth-like extrasolar planet, will be to identify atmospheric gaseous bio-signatures. Observations of the light transmitted through the Earth's atmosphere, as for an extrasolar planet, will be the first step for future comparisons. We have completed observations of the Earth during a Lunar eclipse, a unique situation similar to that of a transiting planet. We aim at showing what species could be detected in its atmosphere at optical wavelengths, where a lot of photons are available in the masked stellar light. We present observations of the 2008 August 16 Moon eclipse performed with the SOPHIE spectrograph at the Observatoire de Haute-Provence. Locating the spectrograph fibers in the penumbra of the eclipse, the Moon irradiance is then a mix of direct, unabsorbed Sun light and solar light that has passed through the Earth's limb. This mixture essentially reproduces what is recorded during the transit of an extrasolar planet. We report here the clear detection of several Earth atmospheric compounds in the transmission spectra, such as ozone, molecular oxygen, and neutral sodium as well as molecular nitrogen and oxygen through the Rayleigh signature. Moreover, we present a method that allows us to derive the thickness of the atmosphere versus the wavelength for penumbra eclipse observations. We quantitatively evaluate the altitude at which the atmosphere becomes transparent for important species like molecular oxygen and ozone, two species thought to be tightly linked to the presence of life. The molecular detections presented here are an encouraging first attempt, necessary to better prepare for the future of extremely-large telescopes and transiting Earth-like planets. Instruments like SOPHIE will be mandatory when characterizing the atmospheres of transiting Earth-like planets from the ground and searching for bio-marker signatures.

研究の動機と目的

• 月食観測を用いて、地球を系外惑星として通過する状態に模擬すること。
• 地上の高分解能分光計を用いて、特にバイオシグネチャを含む主要大気成分の検出可能性を検証すること。
• 地上望遠鏡から、通過する地球型系外惑星の大気における酸素分子とオゾンの検出可能性を評価すること。
• 月食の半影領域のデータを用いて、異なる波長における大気の厚さと透明度を定量化すること。
• 将来の極大望遠鏡（ELTs）の観測に備えて、機器および観測手法の妥当性を検証すること。

提案手法

• 2008年8月16日付の月食中に、オペラ・プロヴァンス天文台に設置されたSOPHIE分光計を用いて、月面の高分解能分光観測を実施した。
• 太陽光が地球の大気を通過した後に地上に到達する半影領域を標的にした。これは惑星通過時の条件を模倣するものである。
• 高スペクトル分解能を活用し、相関関数およびラインプロファイル解析によって、NaI（5890 Å）、O2（6880 Å）、O3（250–300 nm）などの大気成分の狭帯域特徴を分離した。
• スペクトル線の周囲にマスクを適用して、信号対ノイズ比を高める手法を採用。系統誤差は近接するスペクトル領域を用いて補正した。
• 波長依存の透過関数を用いて、主要成分が透明になる有効高度を導出し、大気の透明度を定量化した。
• 系外惑星系で予想されるドップラーシフトを模擬することで、検出の妥当性を検証。大気線と地球大気線（telluric）の分離が明確に可能であることが示された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地上の高分解能分光計を用いた観測で、月食時に地球の大気バイオシグネチャを検出可能か。これは、系外惑星が通過する状況を模倣したものである。
• RQ2 地球の大気中で、酸素分子（O2）とオゾン（O3）の検出可能性は、系外惑星通過観測に類似した条件下でどの程度達成可能か。
• RQ3 通過に類似したイベント中、異なる波長における大気の厚さと透明度はどのように変化するか。
• RQ4 特にスペクトル線が地球の大気線（telluric）に近接する場合、地上大気由来の系統誤差はどの程度制御可能か。
• RQ5 本研究で用いられた手法は、将来の極大望遠鏡（ELTs）を用いた、地球型系外惑星の大気におけるバイオシグネチャの検出に応用可能か。

主な発見

• 月食中の高分解能分光観測により、地球大気中のオゾン（O3）および酸素分子（O2）の明確な検出が達成された。
• 5890 Å付近の金属ナトリウム（NaI）の狭帯域特徴が、成功裏に分離・測定され、系外惑星大気中でのアルカリ金属検出の可能性が裏付けられた。
• 可視域全域にわたる分子窒素および酸素に起因するレイノルズ散乱の特徴が検出され、大気の厚さおよび散乱効率が示された。
• O2が透明になる有効高度が定量化され、6880 Å付近のO2の禁制遷移帯B（1–0）は8 Å帯域にわたり検出可能な信号を示した。
• 相関関数解析により、O2線が周囲のスペクトル特徴ですら明確に分離可能であり、信頼性の高い検出が可能であることが示された。
• 本研究は、高安定性・高分解能分光計を備えた地上観測が、通過する地球型系外惑星の大気におけるバイオシグネチャを検出するにあたって、必要な精度（10−6 から 10−8）を達成可能であることを確認した。