[論文レビュー] Using SPICA Space Telescope to characterize Exoplanets

J. R. Goicoechea, B. Swinyard+27 more|ArXiv.org|Sep 1, 2008

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、冷温化された3.5mの主鏡を備えた日本主導のJAXA-ESAミッションであるSPICA宇宙望遠鏡が、高感度の中赤外および遠赤外観測を可能にし、系外惑星の大気を特徴付けることを提案している。SPICAは、5–10 AU以上の距離に位置する木星型およびネプチューン型惑星を直接検出可能であり、高分解能分光法およびマルチバンド光度測定により、1–2地球半径程度の軌道上を公転するトランジット型スーパーアースの研究も可能であることを示している。

ABSTRACT

We present the 3.5m SPICA space telescope, a proposed Japanese-led JAXA-ESA mission scheduled for launch around 2017. The actively cooled (<5 K), single aperture telescope and monolithic mirror will operate from ~3.5 to ~210 um and will provide superb sensitivity in the mid- and far-IR spectral domain (better than JWST at lambda > 18 um). SPICA is one of the few space missions selected to go to the next stage of ESA's Cosmic Vision 2015-2025 selection process. In this White Paper we present the main specifications of the three instruments currently baselined for SPICA: a mid-infrared (MIR) coronagraph (~3.5 to ~27 um) with photometric and spectral capabilities (R~200), a MIR wide-field camera and high resolution spectrometer (R~30,000), and a far-infrared (FIR ~30 to ~210 um) imaging spectrometer - SAFARI - led by a European consortium. We discuss their capabilities in the context of MIR direct observations of exo-planets (EPs) and multiband photometry/high resolution spectroscopy observations of transiting exo-planets. We conclude that SPICA will be able to characterize the atmospheres of transiting exo-planets down to the super-Earth size previously detected by ground- or space-based observatories. It will also directly detect and characterize Jupiter/Neptune-size planets orbiting at larger separation from their parent star (>5-10 AU), by performing quantitative atmospheric spectroscopy and studying proto-planetary and debris disks. In addition, SPICA will be a scientific and technological precursor for future, more ambitious, IR space missions for exo-planet direct detection as it will, for example, quantify the prevalence exo-zodiacal clouds in planetary systems and test coronographic techniques, cryogenic systems and lightweight, high quality telescopes. (abridged)

研究の動機と目的

• 中赤外および遠赤外領域における系外惑星大気の特徴付けにおけるSPICAの可能性を評価すること。
• 大軌道分離距離（>5–10 AU）における系外惑星の直接検出および分光的分析におけるSPICAの能力を評価すること。
• 若年期の星の周囲の原始惑星系円盤およびデブリディスクの研究におけるSPICAの役割を調査すること。
• 将来のより高度な赤外系外惑星ミッションの前身としての、SPICAの技術的および科学的準備状況を特定すること。
• SPICAのコロナグラフおよび冷温化システムを用いて、系外惑星系におけるエクゾ・ツァイゴ・ダスト雲の広がりを定量化すること。

提案手法

• SPICAの能動的冷却（<5 K）された単一開口望遠鏡が、長波長域においてジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）よりも優れた感度を達成する。
• 3つのベースライン機器を搭載する：中赤外コロナグラフ（3.5–27 µm、分解能R ~ 200）、中赤外ワイドフィールドカメラおよび高分解能分光計（R ~ 30,000）、遠赤外イメージング分光計SAFARI（30–210 µm）。
• 星の光を抑制するコロナグラフィック技術を用いて、系外惑星の微弱な信号を直接撮像で検出する。
• トランジット系外惑星の高分解能分光法を実施し、大気組成、温度プロファイル、雲の性質を回復する。
• マルチバンド光度測定および分光法を用いて、トランジット型スーパーアースの大気特徴を透過および熱放射の両面から分析する。
• 周囲惑星のダスト円盤からの熱放射を観測し、コロナグラフ性能を検証することで、エクゾ・ツァイゴ・ダストのレベルを定量化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SPICAは、中赤外領域で1–2 R⊕程度のスーパーアースサイズのトランジット系外惑星の大気を検出し、特徴付けられるか？
• RQ2 SPICAは、5–10 AUを超える軌道分離距離に位置するガス惑星およびアイス・ジュピターの直接検出および分光的分析にどの程度感度を示すか？
• RQ3 SPICAは、若年期の星の周囲の原始惑星系円盤およびデブリディスクの熱放射および組成をどの程度解像し、特徴付けられるか？
• RQ4 系外惑星系におけるエクゾ・ツァイゴ・ダスト雲はどの程度広がっており、SPICAはその分布および密度に関する統計的制約を提供できるか？
• RQ5 SPICAは、将来の赤外域での直接系外惑星探査ミッションの技術的および科学的前身として、どの程度の役割を果たせるか？

主な発見

• SPICAは18 µmを超える波長域で、JWSTを上回る感度を達成し、中赤外および遠赤外領域における高感度観測を可能にする。
• 高分解能分光法およびマルチバンド光度測定を用いて、SPICAは1–2 R⊕程度のスーパーアースサイズのトランジット系外惑星を検出し、特徴付けられる。
• SPICAは、5–10 AUを超える軌道分離距離に位置する木星型およびネプチューン型系外惑星を直接検出し、定量的分光法による大気分析が可能である。
• SPICAは、遠赤外域における高感度イメージングおよび分光法により、原始惑星系円盤およびデブリディスクの詳細な研究を可能にする。
• SPICAは、系外惑星系におけるエクゾ・ツァイゴ・ダスト雲の広がりを定量化し、将来の直接撮像ミッションに不可欠なデータを提供する。
• SPICAは、高度なコロナグラフィー、冷温化システム、および今後の赤外宇宙望遠鏡用に最適な軽量かつ高品質な一体型鏡の実用化に向けたキーテクノロジーをテスト・検証する。