[論文レビュー] The Earth as an extrasolar transiting planet - II: HARPS and UVES detection of water vapor, biogenic O$_2$, and O$_3$

L. Arnold, D. Ehrenreich+10 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2014

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 41被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、月食中の月の高分解能分光観測を用いて、地球を軌道移動系系外惑星として模擬し、水蒸気、生物由来の酸素（O₂）、オゾン（O₃）の大気の痕跡を検出する。欧州南天天文台（ESO）のLa Silla観測所に設置されたHARPSおよびUVESを用いて、これらの生物痕跡物質、特にO₂ Aバンドが、理想的な条件下で将来的な超大型望遠鏡（E-ELT）によって検出可能であることを確認した。

ABSTRACT

The atmospheric composition of transiting exoplanets can be characterized during transit by spectroscopy. For the transit of an Earth twin, models predict that biogenic $O_2$ and $O_3$ should be detectable, as well as water vapour, a molecule linked to habitability as we know it on Earth. The aim is to measure the Earth radius versus wavelength $λ$ - or the atmosphere thickness $h(λ)$ - at the highest spectral resolution available to fully characterize the signature of Earth seen as a transiting exoplanet. We present observations of the Moon eclipse of 21-12-2010. Seen from the Moon, the Earth eclipses the Sun and opens access to the Earth atmosphere transmission spectrum. We used HARPS and UVES spectrographs to take penumbra and umbra high-resolution spectra from 3100 to 10400 Ang. A change of the quantity of water vapour above the telescope compromised the quality of the UVES data. We corrected for this effect in the data processing. We analyzed the data by 3 different methods. The 1st method is based on the analysis of pairs of penumbra spectra. The 2nd makes use of a single penumbra spectrum, and the 3rd of all penumbra and umbra spectra. Profiles $h(λ)$ are obtained with the three methods for both instruments. The 1st method gives the best result, in agreement with a model. The second method seems to be more sensitive to the Doppler shift of solar spectral lines with respect to the telluric lines. The 3rd method makes use of umbra spectra which bias the result, but it can be corrected for this a posteriori from results with the first method. The 3 methods clearly show the spectral signature of the Rayleigh scattering in the Earth atmosphere and the bands of H$_2$O, O$_2$, and O$_3$. Sodium is detected. Assuming no atmospheric perturbations, we show that the E-ELT is theoretically able to detect the $O_2$ A-band in 8~h of integration for an Earth twin at 10pc.

研究の動機と目的

• 月食中に地球の大気を観測することで、地球を軌道移動系系外惑星として模擬すること。
• 高分解能分光法を用いて、H₂O、O₂、O₃といった主要な生物痕跡ガスの検出可能性を検証すること。
• 異なるデータ解析手法が大気透過関数に与える影響を評価すること。
• 近い将来に運用予定のヨーロッパ超大型望遠鏡（E-ELT）を用いた地球型生物痕跡物質の検出可能性を評価すること。
• 変動する水蒸気や地球大気の影響（例：水蒸気の影響）がスペクトル再構築に与える影響を定量化すること。

提案手法

• 2010年12月21日における月食中に、HARPSおよびUVES機器を用いて地球の大気の高分解能分光観測を実施した。
• 3100–10400 Åの波長域で、付属領域（penumbra）および皆既月食領域（umbra）のスペクトルを取得し、大気透過関数 h(λ) を再構築した。
• 3つの独立した解析手法を適用した：ペアワイズ付属領域比較、単一付属領域解析、および併用された付属領域／皆既月食領域解析。
• UVESのキャリブレーション中に、事後的にモデル化することで変動する水蒸気量（PWV）の影響を補正し、大気汚染の影響を軽減した。
• 大気モデルとの照合を実施し、特に皆既月食スペクトルにおける屈折の影響による系統的バイアスを評価した。
• E-ELTにおけるO₂ Aバンドの検出可能性をモデル化し、10 pc離れた地球型惑星を8時間の積分で検出可能であると推定した（理想的な条件下）。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 月食観測を用いて、地球の大気が軌道移動系系外惑星として信頼性高く探査可能であるか？
• RQ2 高分解能分光法を用いた場合、地球の大気を軌道移動で観測する際に、生物由来のO₂およびO₃はどの程度検出可能か？
• RQ3 異なるデータ解析手法が、大気透過関数の正確性および信頼性に与える影響は何か？
• RQ4 主な系統的誤差（例：地球大気中の水蒸気、皆既月食スペクトルにおける屈折）は、惑星の大気特徴の再構築をどの程度損なうか？
• RQ5 実際の観測条件下で、E-ELTは10 pc離れた軌道移動系地球型惑星のO₂ Aバンドを検出可能か？

主な発見

• すべての3つの解析手法において、スペクトルの青色領域におけるレイリー散乱の勾配が明確に確認され、大気散乱効果が裏付けられた。
• 生物由来のO₂およびO₃は、7600–8000 Åの範囲で特徴的な吸収帯として検出され、HARPSおよびUVES両データでO₂ Aバンドが明確に可視化された。
• 9500 Å以上の波長域では、吸収が強く、オゾンおよびレイリー散乱の影響が最小限であるため、水蒸気が20 kmまでの高度で検出された。
• HARPSデータでは、3つの手法間で一貫した水蒸気プロファイルが得られ、手法1では25 km以上で検出が確認された。一方、UVESの結果は観測中の水蒸気量の変動により、やや整合性に欠けた結果となった。
• 皆既月食に基づく手法（手法3）は、大気屈折の影響により、h(λ)に誤った負の勾配を導入するが、このバイアスは手法1の結果を用いて事後的に補正可能である。
• E-ELTは理論的に、大気の摂動がない理想的な条件下で、10 pc離れた地球型惑星のO₂ Aバンドを8時間の積分で検出可能である。