分光偏光高コントラスト太陽系外惑星研究

分光偏光高コントラスト太陽系外惑星研究（VLT-SPHERE ）は、超大型望遠鏡（VLT）の適応光学システムおよびコロナグラフ装置です。 ^{[1]この装置は、}太陽系外惑星系の直接画像化、分光学的および偏光的特性評価を提供します。 この装置は可視および近赤外線で動作し、明るいターゲットの周りの小さな視野で優れた画像品質とコントラストを実現します。^[2]

SPHEREの成果は、 HARPS、CoRoT、ケプラーミッションなどの他の惑星探査プロジェクトの成果を補完するものである。^[1]この装置はユニット望遠鏡「メリパル」（UT3）に搭載され、 2014年5月に初観測を達成した。搭載当時、この装置はX-shooter、KMOS、MUSEなどの第2世代VLT装置の最新版であった。^[3]

太陽系外惑星を直接撮影することは極めて困難です。

1. 惑星とその主星の明るさのコントラストは、通常、近赤外線を大量に放射する高温の若い巨大惑星の場合は10 ⁻⁶から、反射光のみで観測される岩石惑星の場合は10 ^{−9 の範囲です。}
2. 惑星とその主星の間の角度の分離は非常に小さい。主星から約10AU、数十パーセク離れた惑星の場合、分離はわずか10分の1秒角である。^[4]

SPHERE は、太陽系外惑星の直接高コントラスト画像撮影に特化した第 2 世代の機器の代表です。これらの機器は、高リズムでの大気の乱流を補正し、ホスト スターからのグレアを減衰させるために、高度な適応光学と高効率コロナグラフを組み合わせています。さらに、SPHERE は差分画像を使用して、惑星と恒星の光の色や偏光の違いを活用します。^[5]稼働中の他の高コントラスト画像撮影システムには、パロマー天文台のプロジェクト 1640やジェミニ南望遠鏡のジェミニ惑星イメージャーがあります。^[4]あまり進歩していない適応光学システムを備えた大型双眼望遠鏡は、さまざまな太陽系外惑星の画像撮影に成功しています。^[6]

SPHERE は、主星から 5 AU 以上離れた木星サイズ以上の惑星を直接検出することを目標としています。このような惑星を多数検出し、その特性を明らかにすることで、惑星移動に関する知見が得られるはずです。惑星移動とは、理論上は主星の近くで形成されたはずがないとされるホット ジュピターが、原始惑星系円盤内で形成された場所から内側に移動する仮説上のプロセスです。^[7]遠方の巨大な惑星は多数存在するはずであるとも仮説が立てられています。SPHERE の結果から、現在観測されているホット ジュピターの周回軌道の優位性が、どの程度観測上の偏りを表しているかが明らかになるはずです。SPHERE の観測は、次の種類のターゲットに焦点を当てます。

• 低質量惑星を発見する機会も提供する可能性のある、近くの若い恒星団。
• 既知の惑星を持つ恒星、特に視線速度曲線の回帰分析で長期残差が見られ、より遠方の伴星の存在を示唆する可能性のある恒星。
• 最も近い恒星。これにより、反射光によってのみ輝くものも含め、最小の軌道を持つターゲットを検出できるようになります。
• 年齢が 1 億年から 1 億年の範囲にある恒星。これらの若いシステムでは、より小さな惑星でもまだ高温で、赤外線を大量に放射するため、検出可能な質量は低くなります。
• SPHEREの高コントラスト機能は、原始惑星系円盤、褐色矮星、進化した大質量星の研究、また程度は低いが太陽系や銀河系外のターゲットの調査にも使用できるはずだ。 ^[8]

SPHEREの成果は、視線速度測定や測光トランジットなどの他の検出方法を使用する検出プロジェクトの成果を補完するものである。これらのプロジェクトには、HARPS、CoRoT、ケプラーミッションなどがある。^[8]

SPHERE は、ESO の VLT ユニット望遠鏡 3 のナスミス焦点に搭載されています。次のサブシステムで構成されています。

• 共通パスとインフラストラクチャ（CPI）は、メインの光学ベンチです。望遠鏡からの直接光を受け取り、安定化され、適応光学補正され、コロナグラフフィルターされたビームを3つのサブ機器に渡します。そのコアコンポーネントの1つは、大気の乱流を1秒間に1380回補正するSAXO適応光学システムです。^[1]
• 積分フィールド分光器( IFS ) は 1.73 インチ x 1.73 インチの視野をカバーし、スペクトル データを 3 次元 (x、y、λ) データ キューブに変換します。
• 赤外線デュアルバンド イメージャーおよび分光器( IRDIS ) の視野は 11 インチ x 12.5 インチで、ピクセル スケールは 12.25 mas (ミリ秒) です。IRDIS は、従来の画像化が可能です。また、異なるスペクトル特性をターゲットとする 2 つの異なる狭帯域通過フィルターを使用してデュアルバンド画像化を同時に行うように構成したり、交差した 2 つの偏光子から同時に画像化を行うように構成することもできます。ロング スリット分光モード (LSS) で動作する場合、コロナグラフ マスクの代わりにコロナグラフ スリットが使用されます。
• チューリッヒイメージング偏光計（ZIMPOL）は、可視光線と赤外線の波長で動作する高コントラストイメージング偏光計で、30 ms未満の解像度を達成できます。また、回折限界の古典的なイメージングも可能です。^[9]

初期の結果では、SPHERE 機器の威力が実証され、既存の理論に疑問を投げかける結果も提示されました。

• SPHEREは2016年に最初の惑星HD 131399Abを発表しましたが、別の研究では、これは実際には背景の星であることが示されました。^[10]最後に、2017年7月、SPHEREコンソーシアムは、 HIP 65426の周りで惑星HIP 65426 bを検出したことを発表しました^{。[11] [12]}この惑星は、厚い雲で満たされた非常に塵の多い大気を持っているようで、驚くほど速く自転する熱く若い星の周りを公転しています。
• SPHERE は、食連星 V471 Tauriを周回すると予想される褐色矮星の探索に使用された。食のタイミングを注意深く測定したところ、不規則であることがわかったが、これらの不規則性は、恒星の軌道を乱す褐色矮星があると仮定することで説明できる。驚いたことに、仮説上の褐色矮星は SPHERE で簡単に分解できるはずだったが、そのような伴星は撮影されなかった。V471 Tauri の奇妙な行動に対する従来の説明は間違っているようだ。軌道タイミングの変動については、いくつかの代替説明が提案されており、たとえば、その影響は連星ペアの主星の磁場変動によるものであり、その結果、Applegate メカニズムによって恒星の形状が定期的に変化する可能性があるという可能性もある。[ 13 ] ^{[ 14]}
• SPHERE の初期の成果のもう 1 つは、HD 100453 の渦巻き状の原始惑星系円盤の最初の画像です。^[15]全体的な渦巻き模様は、恒星周回円盤では珍しい現象で、別の恒星や巨大惑星など、恒星を周回する巨大な物体の重力によって引き起こされると考えられます。この円盤は、摂動を与える伴星が画像化された最初の円盤であり、渦巻き腕生成理論のテストを提供します。画像では、コロナグラフ マスクの端から、太陽系の天王星の軌道とほぼ同じ距離まで伸びるギャップも明らかになっています。
• SPHEREは、2018年6月に発表された論文で、初めて確認された新生惑星の画像を撮影するために使用されました。若い惑星PDS 70bは、恒星PDS 70の周りの原始惑星系円盤で形成されているのが見られました。^[16]
• 2020年7月、SPHEREはTYC 8998-760-1の周りを周回する2つのガス巨星を直接撮影しました。^[17]

SPHERE 機器の性能を向上させるために、いくつかのプロジェクトが提案されています。

• HiRISE ^[18]（太陽系外惑星の高解像度撮像分光法）は、すでに2023年7月からビジター機器として導入されています。 ^{[19]これは、SPHEREとアップグレードされたCRIRES高解像度分光器を}光ファイバーを使用して組み合わせ、SPHEREによって検出された太陽系外惑星の特性評価を向上させます。
• SPHERE+ ^[20]プロジェクトは、SPHEREのSAXO適応光学システムをアップグレードし、中解像度のIFSを実現することを目指しています。主な科学的目標は、明るい星からより近い距離にある若い巨大惑星や暗い星の周りの若い巨大惑星を検出し、それらのより詳細なスペクトル特性を明らかにすることです。このプロジェクトは現在、設計研究が進行中で、活発に開発が進められています。
• 2017年に提案されたより探究的な概念は、可視領域のSPHEREとESPRESSO分光器を組み合わせて、反射光でプロキシマ・ケンタウロスb惑星の検出を試みるというものでした。 ^[21]この概念は放棄され、代わりにRISTRETTOと呼ばれる専用機器がVLTのビジター機器として設置されることになりました。

• SPHERE - 分光偏光高コントラスト太陽系外惑星研究

南緯24°37′39″ 西経70°24′16″ / 南緯24.6274° 西経70.4044° / -24.6274; -70.4044