[2017/6/30] NASA Juno探査機を支える「すばる」中間赤外線観測

木星8.8um赤外線画像 (May 18, 2017)

(by 笠羽)
私共、2016年7月から周回軌道に入り活動中のアメリカの木星探査機 Junoとの共同観測をNASA/ジェット推進研究所[JPL]のGlenn Orton博士らと行なって来ました。このうち、国立天文台 Subaru 8m望遠鏡の COMICS(冷却中間赤外線分光撮像器)を使って行われてきた観測成果が、NASA/JPLと国立天文台SubaruのWebページで公表されましたので、こちらでも紹介いたします。
[NASA:  英語Link]     [NASA/JPL 英語Link]    [国立天文台Subaru観測所:  日本語link  / 英語link ]

Subaru-COMICSのJuno探査機との同時協調観測は、2017年1月11-15日と5月16-19日に行われ、日本側からは私(1/11-12・5/18-19の観測責任者)、佐藤隆雄くん(本研究室で2012/3博士。JAXA宇宙科学研)、北元くん(PPARCで2016/3博士、当研究室所属)が現地参加しております。軽量化・低コスト化の都合から、Junoでは対流圏〜成層圏の情報を握る中間赤外域の観測手段を搭載せず、「地上観測で補完する」という戦略を取っています。より惑星深部を見るマイクロ波電波、より高高度の熱圏・オーロラ発光域を見る紫外線・近赤外線の観測装置は搭載していますが、この間をつなぐ手段が「地球からの中間赤外線地上観測」です。SubaruのCOMICSは、近年ではほぼ世界唯一の広帯域中間赤外分光が可能な装置で、Juno探査機への支援手段として大変貴重です。日本は打ち上げ当時、直接この探査機チームに参加していなかったのですが、Subaru COMICSによって貴重な貢献をなすことができ、感謝しております。

特に5月の観測は、Juno探査機の「第6回最接近観測」の前後をカバーする形で行われ、Juno探査機が通過する直下領域を含む木星雲層〜成層圏大気の温度場と雲層厚、およびその運動と時間変化を与えることができました。下記写真では、有名な大赤斑とそれを包み込む激しい大気擾乱が見られます。Juno探査機が観測する初の深部情報(100気圧域にまで達する)と結合させることで、これまで得られなかった初の「3次元大気情報」を得ることが可能となります。好天に恵まれたこの観測で、Subaruはその大口径を生かし約1,000-kmの空間分解能を得ることができましたが、これは Juno探査機最接近時におけるマイクロ波観測の空間分解能に匹敵するものです。

木星は、電離したイオ噴出ガスが駆動する太陽系で最も激しいオーロラ発光をその南北両極に擁します。1月・5月のCOMICS観測では、この発光高度(〜500-3,000 km)よりも低い成層圏高度でメタンの発光が見られることも明らかにしています。これは、オーロラを光らせる高エネルギー粒子が大気へ深く侵入し、木星大気を温めまたC・H系有機物を生成する化学反応を引き起こすことを示しています。こうした「高エネルギー粒子の衝突による加熱と有機化学反応」は、かってメタン等も存在したであろう原始地球大気でも起きた可能性がある現象です。東北大では、私共も中核を担う JAXA「ひさき」紫外線・極端紫外線望遠鏡衛星東北大望遠鏡施設(ハレアカラ:光赤外、蔵王・飯館:電波観測)で、木星の強烈な放射線帯活動、イオ火山活動、これらと結合する木星オーロラ・磁気圏活動を長期連続観測しており、Juno探査機最接近データとの結合解析を進行させつつあります。その成果もお楽しみに。

これらの成果は、搭載装置提供によって参加予定の欧州木星探査機JUICEによる低周波電波(RPWI)、サブミリ波電波(SWI)による観測にも活かされていく予定です。

木星8.8um赤外線画像 (May 18, 2017)

Subaru COMICSで撮像された木星8.8um赤外線画像 (May 18, 2017) [Credit: NASA/JPL, 国立天文台]。Juno探査機が「第6回最接近観測」を行う直前の木星大気、特に対流圏〜成層圏の温度場とアンモニア雲層厚の情報を提供し、Junoが観測する大気深部(雲層下〜100気圧:マイクロ波)と熱圏・オーロラ(高度数百km以上、紫外線・近赤外)をつなぐ。Movieもこちらにあります

<Link: 2016年1月の Subaru – COMICSでの木星予備観測風景>

なお、その他のlinkです。
[HawaiiのTV]  http://khon2.com/2017/07/10/hilo-scientists-assisting-in-exploration-of-jupiter/

<日本語>
[大学]     http://www.tohoku.ac.jp/japanese/2017/07/award20170703-01.html
[理]         http://www.sci.tohoku.ac.jp/news/20170703-9182.html
[地物]     http://www.gp.tohoku.ac.jp/information/news/20170703162305.html

<英語>
[大学]     http://www.tohoku.ac.jp/japanese/2017/07/award20170703-01.html
[理]         http://www.sci.tohoku.ac.jp/english/news/20170706-9189.html

[MILAHI]アップデート @Haleakala, Maui

5月21日から31日まで、東北大学が開発している中間赤外レーザーヘテロダイン分光器(Mid-Infrared LAser Heterodyne Instrument: MILAHI)に新しいデジタル分光器をセットしに行きました。

地球と惑星の公転周期(速度)の差によって、惑星からくる光はドップラー効果によって本来の周波数からずれてしまいます。このずれをヘテロダイン分光器では捉えるわけですが、2.5GHzの周波数帯域を持つ新デジタル分光器ではMILAHIのターゲットとなる惑星の火星、金星の最大のドップラー効果による周波数のずれ(火星:1600MHz、金星:1400MHz)でも十分にスペクトル捉えることができるようになります。

アップデートしたMILAHIで取られた金星の波長10µmのCO2 non-LTE放射のスペクトルが下図になります。このグラフの横軸は周波数のずれ[MHz]、縦軸は地球大気との相対強度になります。こちらは、5分間積分したデータになりますが、実際には20分ほどの観測データを積分してノイズを小さくして風速や温度を取り出します。今回のデジタル分光器の設置で、これからのMILAHIでの観測の幅がさらに広がりました。(高見)

[2017/3/30] コズミックフロントNEXT「太陽系最大の惑星 木星の謎に挑む」

(黒田客員研究員 [NICT])
3月30日木曜22:00からNHK BSプレミアムで放送されたコズミックフロントNEXT「太陽系最大の惑星 木星の謎に挑む」に黒田剛史客員研究員(情報通信研究機構)が出演しました.黒田さんは,2017年度から客員准教授となります.

また初っ端には,JAXAの紫外線・極端紫外線望遠鏡衛星「ひさき」とハッブル宇宙望遠鏡を主軸とした木星オーロラ・磁気圏共同観測キャンペーンの話題が取り上げられ,本学出身の木村智樹さん(現:RIKEN)が長々と

番組の主題は「NASA探査機Juno」の話を前振りに,木星の「巨大磁気圏と強力なオーロラ活動」「大赤斑とその消長:だんだん小さくなっているのですよね」「その内部構造:金属水素とその運動による巨大な磁場生成)」「その起源:どのように,今の位置で木星のような惑星が比較的短時間で生成できたか」そして「木星の大気とより上層の電離圏との結合:先のNature論文ネタでもあり,我々の地上観測の狙いでもある」でした.木村くんは「トップバッター」,黒田くんは「おおとり」の顔的な役回りでしたね.

Junoの成果話がもっとでてくるのかと思っていましたが,まだ「First Results特集号」も出ていないので(もうすぐ出るが),「Juno成果特集」という意味では時期的にちょっと時期尚早でしたね.いずれにせよ,黒田くんネタでもあった「欧州次期木星探査機JUICE」につながっていく話であり,また我々がちょうど開発中のRPWI(5月に「EM = 試験モデル」の対欧州出荷を控える)にも連なっていく話でした.

赤外レーザーヘテロダイン分光器 MILAHI

予てより中川広務助教が押し進めていた赤外レーザーヘテロダイン分光器の開発の経過です。前回の記事はこちらにアクセス下さい。

我々が開発を行って来たヘテロダイン分光器(MILAHI: Mid-Infrared LAser Heterodyne Instrument)は、2014年にハワイ・マウイ島ハレアカラ山頂の東北大学60cm望遠鏡への取り付けが完了しました。そこからは、実際の望遠鏡を用いた試験観測を実施して参りました。様々なemission改良を重ね、幾度の調整を施し、左図のような金星からのスペクトルを取得することが可能になってきました。

現地での試験観測は一区切りし、現在は東北大学内の実験室で改良の検討をしている段階です。

来年の1月より地上からの金星観測の条件が良くなってきます。次の観測では、JAXA・ISASの金星探査機あかつきとの同時観測を目指して、準備を進めております。

高見

 

金星中間圏の風速場、温度場の導出

absorptionwindtemperature

[(左) MILAHIで取得されるCO2スペクトル、(中央) 風速鉛直分布、(右) 温度鉛直分布]

金星の中間圏は高度70-110kmとされ、雲の層と熱圏下層を繋ぐ領域です。ここでは、物質とエネルギーの輸送が行われている領域となります。今までは、この高度領域の観測例が少なく穴となっていました。我々は地上から赤外ヘテロダイン分光法を用いて、この高度の中間圏のCO210µm帯のスペクトルを観測します。そのスペクトルにNICTで開発された反転解析計算(AMATERASU)により風速、温度の鉛直分布を導出します。本研究では、ハワイ、ハレアカラ山頂にある東北大学60cm望遠鏡(T60)に常設されている赤外ヘテロダイン分光器(MILAHI)を用いての連続観測を行っていく予定です。

高見

木星赤外オーロラの地上観測

木星極域では,中性H2 分子やH3+イオンによる赤外オーロラが生じています。木星オーロラは赤外線の他にX線や紫外線でも見ることができますが、赤外線オーロラのみが地上から観測することができます。私たちは、ハワイ・マウナケアにあるNASA Infrared Telescope Facility (口径3m)や国立天文台すばる望遠鏡(口径8.2m)に取り付けられている高分散分光器を用いて、木星極域の温度や風速場を調べ、木星オーロラの変動要因を明らかにしようとしています。(北元)

IMG_0703

(すばるでの観測の様子)

超高分解能 赤外ヘテロダイン分光

Haleakala

我々の研究室では1985年から赤外ヘテロダイン分光器を世界に先駆けて開発し、オゾンなどの地球微量大気の研究に役立ててきました。近年ドイツ・ケルン大学やNASAと協力して、発展が目覚ましい量子カスケードレーザを応用することで、惑星観測専用の赤外ヘテロダイン分光器MILaHIの開発に成功しました。中間赤外域でその波長分解能は100万を越えます。天体の微量な大気を検出したり、風速や温度を高精度で計測することに秀でています。東北大・ハワイ大などが進めているハワイ・ハレアカラ惑星専用望遠鏡PLANETSや東北大学60cm望遠鏡(T60)での定常運用を予定しており、我々にしかできない世界初の「超高分解能分光による惑星連続観測」を実現して、まだまだ謎の多い惑星大気の進化の解明に貢献します。2014年8月にT60望遠鏡とヘテロダイン装置のハレアカラ山頂への移設が完了し、2014年9月にいよいよ惑星観測に向けた準備が開始されます。(中川広務)

火星のCO2雲の詳細特性

Credit by ESA

Credit by ESA

火星では大気の主成分(CO2)が凝結し、雲や雪になるという非常に珍しい現象が起きています。その中でも中低緯度帯の中間圏に存在するCO2氷雲は、近年になって観測が進み、現在でも雲の分布や性質を明らかにしようと様々な研究がなされています。私たちはイタリアの研究チームと協力し、火星を周回する観測機器の中で最も高い波長分解能を誇るフーリエ分光器PFSを用いてCO2の雲を分光観測することに成功しました。この高波長分解能の観測によって得られたスペクトルによって未解明の雲の詳細構造を明らかにしていく研究を私たちは行っています。(佐藤 佑紀)

CO2, which is the main component of Martian atmosphere, condenses in the coldest region on Mars and forms  cloud or snow. Especially, CO2 ice clouds existing Martian mesosphere have been observed recent years. We succeeded to observe the spectral signal of CO2 ice clouds using Planetary Fourier Spectrometer(PFS) which has the highest spectral resolution among instruments orbiting Mars with Italian team IAPS. The spectra obtained by PFS potentially permit us to know the cloud optical feature for example optical depth and particle size.

火星探査機で捉える微量大気成分

Credit by ESA

Credit by ESA

火星探査衛星MarsExpressに搭載されている赤外フーリエ分光器(PFS)を用いて、火星大気中に存在するメタン(CH4)・過酸化水素(H2O2)の研究を行っています。メタンは近年発見された成分で、生命活動や地学活動に起源があるのではないかと考えられています。私達は、メタン起源解明を目指してデータの解析を進めています。また、メタンの高度分布の導出も目指しています。過酸化水素は火星大気中の代表的な酸化成分です。私達は過酸化水素を衛星データから検出することに成功しました。しかし、その存在量は非常に少なく、メタンの酸化消失には不十分である事を示しました。観測されているメタンはどのように消失しているのか、研究を進める必要があります。

地上大型望遠鏡で捉える火星微量大気成分

地上望遠鏡による観測

近年、火星の地下に多量の氷がある事が示唆されており、火星の水循環に注目が集まっています。私達は、すばる望遠鏡で火星水蒸気の同位体比の分布を調べ、大気大循環モデルと比較することで、水循環の解明を目指しています。また、火星探査衛星データから、水蒸気の高度分布導出を目指しています。火星大気中の水蒸気は近年、飽和度を超える量が存在する「過飽和」状態になっていることが示唆されており、高度分布の詳細な研究が重要となっています。さらに、これらの微量成分の研究をさらに進めるため、ハワイ・ハレアカラ望遠鏡に私たちが開発を進めている赤外ヘテロダイン分光器を取り付けて、継続観測する予定です。