[論文レビュー] World-leading science with SPIRou - the nIR spectropolarimeter / high-precision velocimeter for CFHT

X. Delfosse, J.‐F. Donati+23 more|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2013

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 14

ひとこと要約

SPIRou は、カナダ＝フランス＝ハワイ望遠鏡（CFHT）向けに設計された近赤外分光偏光計および高精度ドップラー速度計であり、非常に低質量星まわりの居住可能な地球型系外惑星の探査を先導するとともに、若い星状天体の磁場を研究することを目的としている。0.98–2.35 μm のスケーリング範囲で R ≈ 73.5K の分解能を有し、1 m/s の径速度精度を達成することで、高感度のドップラー測定と分光偏光測定を可能にし、系外惑星の居住可能性、星-惑星形成、および褐色矮星および系外惑星の大気力学の解明に貢献する。

ABSTRACT

SPIRou is a near-infrared (nIR) spectropolarimeter / velocimeter proposed as a new-generation instrument for CFHT. SPIRou aims in particular at becoming world-leader on two forefront science topics, (i) the quest for habitable Earth-like planets around very- low-mass stars, and (ii) the study of low-mass star and planet formation in the presence of magnetic fields. In addition to these two main goals, SPIRou will be able to tackle many key programs, from weather patterns on brown dwarf to solar-system planet atmospheres, to dynamo processes in fully-convective bodies and planet habitability. The science programs that SPIRou proposes to tackle are forefront (identified as first priorities by most research agencies worldwide), ambitious (competitive and complementary with science programs carried out on much larger facilities, such as ALMA and JWST) and timely (ideally phased with complementary space missions like TESS and CHEOPS). SPIRou is designed to carry out its science mission with maximum efficiency and optimum precision. More specifically, SPIRou will be able to cover a very wide single-shot nIR spectral domain (0.98-2.35 \\mu m) at a resolving power of 73.5K, providing unpolarized and polarized spectra of low-mass stars with a ~15% average throughput and a radial velocity (RV) precision of 1 m/s.

研究の動機と目的

• 非常に低質量星のハビタブルゾーンに存在する地球サイズの惑星を、近赤外域での高精度径速度測定を用いて検出・特徴づけること。
• 特に I から III に分類される原始星系における、磁場が低質量星および原始星の形成と初期進化に与える影響を調査すること。
• 高分解能・広帯域近赤外分光法を用いて、褐色矮星および系の外惑星の大気力学に関する補足的・併用的調査を可能にすること。
• TESS や CHEOPS、JWST といった将来的な宇宙ミッションと連携し、地上ベースのフォローアップと系外惑星・星形成科学の文脈を提供すること。
• 5年間で500夜にわたるレガシーサーベイを実施し、系外惑星探査および若い星状天体の磁場トポロジーの研究に焦点を当てる。

提案手法

• SPIRou は、0.98–2.35 μm（YJHKバンド）をカバーする1ショット・ワイドカバレッジ近赤外分光器を備え、観測効率を最大化している。
• 分解能は 73.5K（目標は 75K）で、1 m/s の目標精度を達成する高精度径速度測定を可能にしている。
• 偏光および非偏光分光法を併用することで、若い星状天体における磁場の検出とそのトポロジーの測定が可能となる。
• 冷却されたファイバー駆動方式を採用することで、分光器の安定化と熱雑音の低減が図られ、高い光度および径速度安定性が確保される。
• ドップラーイメージング技術を活用し、急速に回転する褐色矮星の大気不均一性および気象パターンをマッピングする。
• 複数対象同時観測が可能で、暗く冷たい M型矮星および原始星の高スループット観測に最適化されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SPIRou は、1 m/s の精度を有する近赤外域径速度測定を用いて、非常に低質量星のハビタブルゾーンに存在する地球質量惑星を検出可能か？
• RQ2 I から III に分類される原始星および若い星状天体における、磁場が降着プロセスおよび円盤進化に与える影響は何か？
• RQ3 近赤外域ドップラーイメージングを用いることで、褐色矮星の大気力学および化学的不均一性をどのようにマッピングできるか？
• RQ4 SPIRou が有する高精度径速度および分光偏光測定能力は、軌道移行系外惑星およびその大気の特徴づけをどのように向上させ得るか？
• RQ5 居住可能な系外惑星および磁場研究の発見可能性を最大化するための最適な観測戦略は何か？

主な発見

• SPIRou は、0.98–2.35 μm のスケーリング範囲で 1 m/s の径速度精度を達成する設計となっており、非常に低質量星の周りの地球型惑星の検出を可能にする。
• 全スケーリング範囲で平均 15% の透過率を有しており、可視光機器と比較して居住可能な系外惑星への感度が顕著に向上している。
• 30夜にわたって約 10 個の L 型および T 型褐色矮星をモニタリングすることで、ドップラーイメージングを用いて大気の気象パターンをマッピング可能である。
• 広帯域スペクトルカバレッジと高い分解能（R ≈ 73.5K）のおかげで、ホット・ジュピターおよび他の系外惑星における CO などの大気マーカーの検出に特に適している。
• SPIRou は 2017 年初頭に CFHT に設置予定であり、TESS（2017 年）および CHEOPS（2017 年）の打ち上げと整合し、協働的な系外惑星フォローアップが可能となる。
• SPIRou レガシーサーベイには 5 年間で 500 夜が必要であり、主な科学的目標を達成するには合計 1300 夜が必要で、そのうち 500 夜がコア科学プログラムに割り当てられる。