高層大気の広がりから太陽系外地球型惑星の表層環境を探るための理論的研究

从高层大气扩散探讨太阳系外类地行星表面环境的理论研究

• 批准号: 21H01141
• 负责人: 生駒 大洋
• 金额: $ 10.32万
• 依托单位: National Astronomical Observatory of Japan
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01141/
• 关键词: 惑星大気; 系外惑星; 地球型惑星; 高層大気

系外惑星研究分野の急速な発展によって地球外生命が科学の対象になろうとしており、いわゆるハビタブル惑星に関する理論研究が盛んに行われている。ハビタ ブル惑星研究のボトルネックは観測的検証の困難さにある。その突破口として期待されるのが、次世代宇宙望遠鏡による紫外線トランジット観測である。地球を広く覆う中性酸素の層を低温星まわりの系外惑星が持つ場合、 その大気は大きく広がることが理論的に予想される。この大気を観測できれば、ハビタブル惑星理論の部分的検証につながる。本研究課題では、 高層大気構造モデルおよび大気散逸モデルを開発し、低温星まわりで予測される多様な地球型惑星に関して、中性酸素および中性水素の広がりを理論的に求める。 さらに、紫外線トランジット観測を想定した模擬観測スペクトルおよび光度曲線を作成し、 ハビタブル惑星の検出可能性および理論の検証可能性を定量化する。本年度は、光化学・大気放射(非局所熱平衡)・渦拡散等を考慮した鉛直1次元熱圏モデルを開発した。現在の地球と金星の熱圏を再現する高層大気モデルを、地球大気では実現しない高温環境で重要となってくる分子の光化学反応や放射冷却が適切に考慮し改良した。また、惑星形成モデルからは、水素等を多く含む還元的大気の存在も予測される。したがって、地球型の大気と異なり、還元的な成分を含む光化学反応ネットワークも導入した。一方、高層大気と低層大気の関係性を明らかにする必要がある。すでに、研究代表者らの炭素循環モデルでは、海水量と大気CO2量が関係づけ られている。しかし、想定する系外惑星は主星の近傍を周回し、自転と公転が同期している。 下層大気のように物質の水平方向循環が重要な場合、1次元モデルでは不十分である。そのため、研究協力者が地球型水惑星の射出限界の研究に用いた3次元大気大循環モデル(GCM)を利用し、3次元性の影響を評価した。

随着系外行星研究领域的迅速发展，外星人的生命已成为科学的目标，并且对所谓居住行星的理论研究正在广泛进行。对可居住行星的研究瓶颈是观察验证的困难。预计下一代太空望远镜可以观察到紫外线的突破。如果周围的冷星周围有一层中性氧覆盖地球，则理论上预测其大气将广泛扩散。观察这种气氛会导致对可居住行星理论的部分验证。在这个研究主题中，我们开发了一个高层大气结构模型和一个大气分散模型，从理论上确定中性氧气和中性氢的传播，以预测在冷星周围预测的各种陆地行星。此外，创建了模拟的观测光谱和光度曲线，以实现紫外线观测值，以量化可居住行星理论的可检测性和验证性。今年，我们开发了一个垂直的一维热层模型，该模型考虑了光化学，大气辐射（非本地热平衡），涡流扩散等等。通过适当考虑光化学反应和分子的辐射冷却，可以改善地球和金星当前热层的高层大气模型，这在地球大气中无法实现的高温环境中很重要。此外，行星形成模型还预测了含有大量氢等的还原气氛的存在。因此，与地面气氛不同，还引入了含有还原成分的光化学反应网络。另一方面，有必要阐明高气氛和低大气之间的关系。研究人员的碳循环模型已经关联了海水的数量和大气二氧化碳的量。但是，其主恒星附近的预期系外行驶轨道，其旋转和轨道被同步。当物质的水平循环很重要时，例如在空中中，一维模型就不够。因此，研究合作者使用了地球型水生星球使用的3D通用空气循环模型（GCM）来评估3D特性的影响。

项目成果

惑星大気形成進化論と系外惑星観測による検証

通过行星大气形成演化理论和系外行星观测进行验证

• 发表时间: 2022
• 作者: Sano H.;Yoshiike S.;Yamane Y.;Hayashi K.;Enokiya R.;Tokuda K.;Tachihara K.;Rowell G.;Filipovic M. D.;Fukui Y.;Iino Takahiro;生駒大洋
• 通讯作者: 生駒大洋

Formation, evolution, and detectability of diverse aqua planets

不同水生行星的形成、演化和可探测性

• 发表时间: 2022
• 作者: Seiji Kameno;Paulo Cortes;Edward Fomalont;et al.;生駒大洋
• 通讯作者: 生駒大洋

WSO-UV/UVSPEXを用いた紫外線トランジット観測によるTRAPPIST-1惑星の酸素大気の検出可能性の検討

使用 WSO-UV/UVSPEX 检验通过紫外线凌星观测探测 TRAPPIST-1 行星氧气大气层的可能性

• 发表时间: 2022
• 作者: 生駒大洋;中山陽史ほか
• 通讯作者: 中山陽史ほか

TOI-2285b: A 1.7 Earth-radius planet near the habitable zone around a nearby M dwarf

TOI-2285b：一颗 1.7 地球半径的行星，靠近 M 矮星周围的宜居带

• DOI: 10.1093/pasj/psab106
• 发表时间: 2021
• 期刊: Publications of the Astronomical Society of Japan
• 影响因子: 2.3
• 作者: Cale Bryson L.、Reefe Michael、Plavchan Peter、...;Hirano Teruyuki;et al.;Lam K W F et al.;Gaidos E et al.;Fukui A et al.
• 通讯作者: Fukui A et al.

On the origin of metal-rich close-in gas giants: Planetesimals vs pebbles

关于富含金属的近距离气态巨行星的起源：星子与卵石

• 发表时间: 2021
• 作者: 生駒大洋;菊池健斗;木村真博;中山陽史;柴田翔
• 通讯作者: 柴田翔