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すばる望遠鏡ナスミス偏光器HiCIAOによる 原始惑星系円盤探査の現状

橋本淳(国立天文台 太陽系外惑星探査プロジェクト室)

and SEEDS, HiCIAO, AOチーム

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本日の話の流れ

• HiCIAO偏光器について

– 器械偏光

– 補正方法

– 問題点

• 原始惑星円盤探査の現状– すばる望遠鏡戦略枠観測SEEDS– 観測成果

• まとめ

IRSF/SIRPOL

NIR偏光観測

すばる

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ナスミス偏光器 HiCIAO•

光学系が対称なカセグレン焦点と異なり、ナスミス焦点では器

械偏光が生じるため、一般的に精密な偏光観測は困難。

•

第3鏡とイメージローテーター（ＩｍＲ）の器械偏光(時間変動)が 卓越。

• 標準星の観測ではなく、補正マトリックスを使用

HiCIAO

ナスミス焦点

SUBARU

第3鏡

45º

無偏光光

偏光光

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器械偏光

X =

I I Q I U I V IIQ QQ UQ VQIU QU UU VUIV QV UV VV

器械偏光という場合一般的にはこの部分

HiCIAOではこの項

が比較的大きい

観測対象の円偏光はゼロと仮定

入射偏光と観測量を結びつけるミュラーマトリックス

器械偏光とクロスタームを合わせて器械偏光と呼ぶ

4/24器械偏光はなぜ生じるのか ?

• 入射光の振幅と位相が鏡の境界面などで変化 する（フレネル反射）

– Rs と

Rp: 入射面に対して直交する電場と平行な電 場の反射係数

反射

率

銀の鏡の場合

鏡

屈折率

5/24HiCIAOを用いた観測における

光路の概念図

• HiCIAOにおける器械偏光のほとんどは第3鏡と イメージローテータに起因する

– 観測中に入射面が回転するため、時間変動する.• 他の光学素子は観測中静止

→

器械偏光も時間

変動しない.– 無偏光光を入射させて作成したフラット画像で補正

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第3鏡からの器械偏光• 銀コーティング

– n=0.3+11.7i @ 1.6um• 第3鏡は望遠鏡仰角に

連動して回転

Q/I (無偏光光を入射)

最大で0.3%程度の

器械偏光が生じる

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イメージローテータからの器械偏光• ナスミス焦点における

像回転を補正

• 保護膜あり (SiO2 )銀鏡– 多重反射を考慮

• 波長依存が大きい

• 1.6ミクロン付近で直線 偏光が円偏光に変化

イメージローテータ概念図

多重反射の概念図

位相

差

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イメージローテータにおけるクロストーク

• イメージローテータの入射面が検出器側から見て、 45度のとき直線偏光のほとんどが円偏光に変換

観測される直線偏光のローテータ角度依存

イメージローテータ角度（度）

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補正方法• 第3鏡などのミュラーマトリックスから入射偏

光と観測量を結びつけるマトリックスを構築

– 標準星の観測は必要ない

入射ジョーンズ行列観測されるジョーンズ行列

HiCIAOマトリックス

観測量

入射ストークスパラメータ

一次変換を行うことで入射ストークスQUを導出

IQUVの

線形結合

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観測量と入射ストークスパラメタを結びつける行列

観測量 入射ストークスパラメータ

• p, q, u, v は鏡の屈折率

からなる関数一定値

• A, B, C, Dは望遠鏡の

仰角などからなる関数変数

11/24標準偏光星と無偏光星の偏光観測精度

• 標準偏光星– Elias 1６

• 4.22%±0.07%, 71.1度±0.5度

（本観測）• 4.09%±0.02％, 71.0度±1.0度

(Hough+88)

– HDE 283809 • 2.67%±0.13%, 63.0度±3.1度

（本観測）• 2.59%±0.07%, 58.0度±1.0度（Whittet+92）

• 明るい星（微少な星間偏光している可能性あり）– ＳＡＯ９３７７０

• <P>=0.70%, <σP

>=0.20%

– GSC01804 • <P>=0.52%, <σP

>=0.13%

• HiCIAOの偏光精度は実測定により

σP

<～0.２%, σθ

＜～５度であることが分かった。– 仮定したモデルが妥当であることがわかった。

• 無偏光星の観測から、器械偏光は１％以下であることが分かった。

モデルによる器械偏光を補正し、複数フレームから求めた物理量を平均化

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HiCIAO偏光器の問題点• ローテータの器械偏光の波長依存性が大きい

• 赤い星や青い星では補正がうまく働かない

• ローテータを常にゼロ度付近でトラッキング

MKO H バンドフィルター

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SEEDS –Strategic Exploration of Exoplanets and Disks with Subaru

⇒r >100AU

HST, CIAO

(solar-systemscale r <50AU)

HiCIAO

すばる望遠鏡初の戦略枠観測

“Subaru Strategic Program (SSP)”

新しい高コントラスト観測装置と新しい補償光学装置の組み合わせ

５年間で１２０夜

太陽型星およびより重い星約500個の直接観測

（これまでのドップラー法やトランジット法では未開拓の領域；半径

数 AU - 50 AU)

同じ半径領域の原始惑星系円盤と残骸円盤の高解像度直接観測

これらを結び付けて、円盤から惑星系への進化を解明する

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25機関

110人

(36外国人)

プロジェクトリーダー：田村元秀（国立天文台）

副リーダー：臼田知史、高見英樹（国立天文台）

参加25機関：

国立天文台、総合研究大学院大学、ドイツ・マッ クスプランク研究所、北海道大学、東北大学、茨城大学、埼玉 大学、東京大学、東京工業大学、宇宙科学研究 所、神奈川大 学、名古屋大学、名古屋市立大学、大阪大学、神戸大学、放

送大学、米・プリンストン大学、米・ハワイ大学、米・ジェット推 進研究所、台湾・中

央研究院、仏・ニース大学、英・ハートフォ

ードシャー大学、米・ゴダード宇宙センター、

米・ワシントン大 学、米・チャールストン大学

SEEDSの体制

＜謝辞＞ＳＥＥＤＳプロジェクトは、科学研究費補助金特別推進研究によるサポートを受けています。

15/24SEEDSで狙う天体のまとめ

カテゴリ

惑星探査 円盤探査

総数(a) (b) (c) (d) (e)

非常に

若い星若い星 近傍星等

原始惑星系

円盤残骸円盤

ターゲッ

ト数210 60+40 140+37

(a)カテ

ゴリと同

じ70

557

距離 140 pc <125 pc <30 pc 140 pc <130 pc

年齢

100～

1000

万年

1000万

年～

1億年

1億年

～10億年

100～

1000

万年

500万年

～60億年

出版論文

HAT-P-

7,

GJ758等

LkCa15,

AB Aur等HR4796A １０

さらに１0本以上準備中

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なぜ原始惑星系円盤を探査するのか？

• 原始惑星系円盤は惑星の形成母体– 特に惑星が生まれると考えられている半

径100AU以内の観測が重要

• これまでも多数の円盤観測– 高解像度近赤外線観測

– 電波干渉計による観測

• ゆえに未開拓惑星形成領域の高解 像度観測は困難

• 惑星が形成される軌道半径と同程度 の円盤探査が重要

ダスト連続波 (Lin et al. 2006) を近赤外線画像(Fukagawa et al. 2004)に重ねた.

200 AU

ぎょしゃ座AB星

17/24Dual-beam偏光観測による観測結果

(橋本他、2011年) (深川他、2004年)

赤外線画像擬似カラー

これまで観測が難しかった半径１００天文単位以内の円盤の観測を達成

今回の観測結果 過去の観測結果

250天文単位250天文単位

弱い

赤外線の強度

強い

現時点で世界で最も鮮明な惑星形成の現場の画像（装置の性能としても世界最高）

18/24惑星形成領域に迫るHiCIAO

• AB Aurの偏光ベクトル

– オカルティングマスクの近傍まで偏光シグナルを検出 (r >0.15" : 22 AU)

– Center: 90.1º +- 0.2º ,FWHM: 4.3º +- 0.4º• マスク無しで半径~0.05秒角まで迫れる

85 90 95 (degree)

600 400 (number)

19/24Observational Results

未出版のため割愛させていただきます。

20/24低質量星の円盤観測を推進！！

• PDS70: 太陽型若い星（0.9Mo、年齢10Myr）• 巨大（半径~70AU ）かつシャープな空洞を発見

– 低質量星では最大級のすきまを初めて検出

1.6ミクロン偏光強度図

Hashimoto+12

• 光学的に厚い内縁円盤 が存在する

• 内側から外側に空洞が 大きくなる光蒸発説

(Clarke+01)などでは内 縁円盤を説明できない

• 複数の惑星と円盤の重 力相互作用が巨大な空 洞の成因か

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PDS 70の想像図

22/24

Tタウリ型星周りの円盤の傾向（１）

未出版のため割愛させていただきます。

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• 円盤の進化過程を反映（？）

• カテゴリーCは円盤散逸の最終段階

– ギャップの形成、質量降着率、内縁領域の面輝 度の低下

• カテゴリーAとBは 円盤散逸の途中

Tタウリ型星周りの円盤の傾向（２）

どのように円盤が散逸し、惑星系が形成されるかを調べる良いサンプル

未出版のため割愛させていただきます。

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まとめ• 系外惑星と円盤の大規模探査プロジェクトSEEDS

進行中

• すばる望遠鏡ナスミス偏光器HiCIAO– 器械偏光はモデルを用いて補正

• 多数の円盤の詳細構造を初検出

• 惑星系形成過程の解明に迫る！

原始惑星系円盤 惑星系

140 AU

AB Aur

Hashimoto et al. (2011)

惑星候補天体

κ AndCarson et al. (2012)

ダスト成長説？光蒸発説？

惑星起源説？円盤風起源説？

どのように進化？