[論文レビュー] Exocometary Science

Luca Matrà, Quentin Kral+21 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2019

Astro and Planetary Science被引用数 1

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、若い岩石惑星への揮発性物質の供給を、太陽系外の系で氷を含む天体を介して研究する分野としての外部小惑星科学の発展を主張している。今後予定されているミッション、特にLUVOIRとOriginsが、外部小惑星帯における原子および分子ガスの大規模で感度の高い調査を可能にし、惑星形成期の元素組成と水の含有量を明らかにすると述べている。

ABSTRACT

Evidence for exocomets, icy bodies in extrasolar planetary systems, has rapidly increased over the past decade. Volatiles are detected through the gas that exocomets release as they collide and grind down within their natal belts, or as they sublimate once scattered inwards to the regions closest to their host star. Most detections are in young, 10 to a few 100 Myr-old systems that are undergoing the final stages of terrestrial planet formation. This opens the exciting possibility to study exocomets at the epoch of volatile delivery to the inner regions of planetary systems. Detection of molecular and atomic gas in exocometary belts allows us to estimate molecular ice abundances and overall elemental abundances, enabling comparison with the Solar Nebula and Solar System comets. At the same time, observing star-grazing exocomets transiting in front of their star (for planetary systems viewed edge-on) and exozodiacal dust in the systems' innermost regions gives unique dynamical insights into the inward scattering process producing delivery to inner rocky planets. The rapid advances of this budding subfield of exoplanetary science will continue in the short term with the upcoming JWST, WFIRST and PLATO missions. In the longer term, the priority should be to explore the full composition of exocomets, including species crucial for delivery and later prebiotic synthesis. Doing so around an increasingly large population of exoplanetary systems is equally important, to enable comparative studies of young exocomets at the epoch of volatile delivery. We identify the proposed LUVOIR and Origins flagship missions as the most promising for a large-scale exploration of exocometary gas, a crucial component of the chemical heritage of young exo-Earths.

研究の動機と目的

• 若い惑星系における岩石惑星への揮発性物質供給を理解するための中心的分野として外部小惑星科学を確立すること。
• 揮発性物質供給期における外部小惑星の化学的組成に関する知識の重要な空白を埋めること。
• 検出能力の拡張により、多数の惑星系を比較研究可能にする。
• 外部小惑星ガスおよび元素組成を特徴付けるための、将来の最も有望なミッションを特定すること。
• 惑星形成期における外部小惑星の放出ガスから水および主要な前生物分子を優先して検出すること。

提案手法

• LUVOIRのLUMOS機器によるUV分光法を用いて、外部小惑星ガス中の主要な原子種（H、C、N、O）の元素組成とイオン化状態をマッピングする。
• Originsの主力ミッションであるOSS機器による遠赤外分光法を用いて、119 µmの強い遷移を介しOHおよびH2Oを検出する。
• 空間的およびスペクトル的に解像された観測を実施し、ガス生成領域を特定し、外部小惑星帯内の力学的進化を追跡する。
• 定常状態の外部小惑星帯からのガス放出モデルを用いて、検出可能なガス質量を予測し、将来の施設の感度曲線と比較する。
• UV、遠赤外、電波波長からのデータを統合し、外部小惑星の組成と動態を多波長で描り出す。
• 近い将来の進展を実現するため、JWST、WFIRST、PLATOを活用し、LUVOIRおよびOriginsを長期的優先課題とする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 若い惑星系の揮発性物質供給期における外部小惑星ガスの元素および分子組成は何か？
• RQ2 外部小惑星の組成は、太陽系小惑星および太陽系円盤と比較してどのように異なるか？
• RQ3 外部小惑星の内側への散乱が、岩石惑星に水および前生物分子を供給する役割を果たすか？
• RQ4 LUVOIRやOriginsのような将来の宇宙望遠鏡が、複数の系にわたる偏りのない大規模な外部小惑星ガス調査をどのように可能にするか？
• RQ5 次世代の遠赤外およびUV施設を用いた場合、外部小惑星放出ガスにおける水および主要な揮発性物質の検出限界は何か？

主な発見

• Originsの主力ミッションは、100以上の惑星系で外部小惑星ガスを検出すると予想され、大規模な集団研究が可能になる。
• OriginsのOSS機器は、ヘーシェルに比べて感度が約1000倍向上すると予想され、外部小惑星帯におけるOHおよびH2Oの検出を日常的に行えるようになる。
• LUVOIRのLUMOS機器は、空間的に解像されたUVマップを提供し、イオン化状態および元素組成の詳細な特徴づけが可能になる。
• 定常状態のガス放出モデルは、外部小惑星帯における検出可能なガス質量を予測しており、感度曲線からOriginsが約10^20 gの質量を持つ系を検出可能であることが示されている。
• 高スペクトル分解能（R ~ 40000）の遠赤外分光法により、ライン対コンtinuum比が著しく向上し、微弱な外部小惑星ガスの検出が可能になる。
• 現在の施設（JWSTおよびVLA）は、オーバーヘッドと感度の制限により、調査能力に限界がある。大規模な調査には、LUVOIRまたはOriginsクラスのミッションが必要となる。