全 15 章の第 7 章
星の光をさえぎる
惑星を撮影するには、星の光を遮らなければならない。Jupiterの双子は、その太陽の可視光の約10億分の1を反射し、Earthの双子は約10⁻¹⁰を反射する (Lawson et al. 2013)。若い巨大惑星は赤外線で輝くため、はるかに容易である。このため直接撮像で見つかるのは、若く、軌道が広く、質量の大きい惑星である。
説明図
星の光を遮る
- 歴史。 Bernard Lyot は 1930 年、日食なしで太陽コロナを研究するためにコロナグラフを発明した。焦点面マスクが円盤を遮り、「Lyot ストップ」が回折光を除去する（Lyot 1939）。SOHO の LASCO コロナグラフは同じ原理を毎日示している（Brueckner et al. 1995）。上の太陽の場面は LASCO に基づくイラストであり、LASCO の画像ではない。
- コロナグラフの種類。Lyot 型の振幅マスク、アポダイズ瞳、ボルテックスなどの位相マスク。重要な指標は λ/D 単位の内側作動角である（Mawet et al. 2012）。10 pc の距離にある地球は主星から 0.1″ 離れている：550 nm で 6 m 望遠鏡の場合、約 5.3 λ/D [calc]。
- 補償光学とスペックル。 可変形鏡が乱れた波面を毎秒数百回平坦化する。残るのはスペックルである。角度差分撮像では空を回転させる一方でスペックルは固定されたままなので、スペックルを差し引くことができる（Marois et al. 2006）。
- スターシェード。 望遠鏡のはるか前方に飛ばす花形のスクリーン（Cash 2006）。Roman Starshade Rendezvous 構想: 26,000 km 先に 26 m。HabEx: 約 76,600 km 先に 52 m（HabEx Final Report）。
- ナリング干渉法。2 台の望遠鏡を半波長ずらして合成すると、恒星は暗い干渉縞上で打ち消され、軸外の惑星は明るい縞上に位置する（Bracewell 1978、LIFE 構想、Quanz et al. 2022）。
コロナグラフの方式を面ごとに
以下の各方式は、1つの光学系の4つの面として描く。強度は描き込んだものではなく計算したもの：透明な円形瞳を持つ理想的な単色望遠鏡のフラウンホーファー光学により、恒星のピークから100万分の1までの対数スケールで表示する。マスクと絞りの大きさ、アポダイザー、惑星の明るさは例示的なものであり、その旨を明記している。
説明図縮尺は正確ではない。Lyot 1939 に基づく
説明図
- リオ・コロナグラフ。焦点面に置いた不透明な円盤が恒星像の中心部を遮る。円盤が除去できないのはその縁で回折した光で、次のレンズがそれを再結像した瞳の縁へ送る。瞳よりわずかに小さいリオストップがその縁の光を遮る（Lyot 1939）。4 λ/Dの円盤では、ストップを瞳の150%から80%に絞ると、8 λ/Dでの星の光は恒星のピークの6.7×10⁻⁵から1.8×10⁻⁷に減る（コロナグラフなし：7.8×10⁻⁵）[calc]。一方、円盤から十分外側の惑星は光の64%（ストップの面積比）を保つ。
- アポダイズ瞳。 マスクの代わりに瞳の透過率を縁に向かって徐々に下げるため、像にはリンギングを生む鋭い縁がない。A(ρ) = (1 − ρ²)² の場合、5 λ/D 付近の最も明るいリングは、遮るもののない瞳のピークの 7.8×10⁻⁴ から 1.2×10⁻⁶ に下がる [calc]。ただし光は 1/(2n + 1) = 20% しか通らず、コアは広くなる。実際のアポダイザー（シェイプト瞳、prolate や APLC 設計）は数値的に最適化される。このテーパーは説明用である。
- 渦位相マスク。 位相が中心の周りで巻く透明なマスク(e^(2iθ)、チャージ2)は、軸上の恒星の光を再結像された瞳の外側へ移す。遮蔽のない円形開口上の理想的なチャージ2の渦では、そこでの場は瞳の内側で厳密にゼロ、外側で(1/ρ)²となる [calc]。そのため瞳のすぐ内側に置いた絞りで恒星光が除去される。位相マスクは恒星に最も近いところで機能する方式である(Mawet et al. 2012)。実際の渦マスクは波面誤差と恒星の有限の大きさによる残差を残す。
- 補償光学と ADI。可変形鏡はシーイングのハローを鋭いコアに変えるが、幅 λ/D の準静的スペックルは残る。装置の瞳を固定すると、夜を通じて空と惑星は回転する一方、スペックルは動かない。シーケンスの中央値がスペックルのモデルとなり、各フレームからそれを差し引き、視野回転の分だけ回転を戻して重ね合わせると、惑星が残る（Marois et al. 2006）。ステージ上のフレームは合成である。実際の空では、GPI は 60 s で 0.4″ において約 10⁻⁴ の生コントラストに達し、1 時間の ADI の後にはその 10 倍以上深くなる（Bailey et al. 2016）。
コントラストのはしご
- JWST MIRI コロナグラフ 2e-041″、11.3 µm（HIP 65426）· 達成値 · Carter et al. 2023, ApJL 951, L20
- 地上 AO（GPI）、補正なし 1e-040.4″ で 5σ、H バンド、60 秒 · 達成値 · Bailey et al. 2016
- JWST NIRCam コロナグラフ 1e-051″、4.4 µm で 5σ（HIP 65426） · 達成値 · Carter et al. 2023, ApJL 951, L20
- Roman Coronagraph 1e-076–9 λ/D での要求値。目標 10⁻⁹ · 要求値 · Roman Coronagraph の要求値
- 地球の双子、反射光 1e-10太陽型の恒星、可視光 · 目標値 · Lawson et al. 2013, SPIE 8864
- HWO 1e-10太陽型星を回る地球の双子 · 目標 · Lawson et al. 2013, SPIE 8864
HR 8799の惑星は、キャンバス上ではexoplanet.euの軌道長半径と離心率を用いて描かれている。天球上での向きは説明用のもので、時間は圧縮されている。異なる装置によるコントラストは異なる離角・波長・有意度で測定されているため、各段は直接比較できない。
1,216 of the 8,049 planets with a stored distance in exoplanet.eu were found by imaging (the first method listed). Show them on the Galaxy map ›
実データ、出典付き
年を指すか、グラフにフォーカスして矢印キーを使ってください。
- トランジット
- 視線速度
- 直接撮像
- マイクロレンズ
- 位置天文
- タイミング
- その他
発見年ごとの惑星数を、見つけた手法別に積み上げたもの。 SetuHQ はこれらの惑星を発見していません。 出典: The Extrasolar Planets Encyclopaedia (exoplanet.eu), fetched 2026-10-18。
出典
- Lawson et al. 2013, SPIE 8864（地球双子のコントラスト）
- Lyot 1939, MNRAS 99, 580
- Brueckner et al. 1995, Solar Physics 162, 357 (LASCO)
- Mawet et al. 2012, SPIE 8442（コロナグラフのレビュー）
- Marois et al. 2006, ApJ 641, 556 (ADI)
- Marois et al. 2008, Science 322, 1348 (HR 8799)
- Cash 2006, Nature 442, 51（スターシェード）
- HabEx Final Report (arXiv:2001.06683)
- Bracewell 1978, Nature 274, 780
- Quanz et al. 2022, A&A 664, A21 (LIFE)
- Bailey et al. 2016（GPI の実観測コントラスト）
- Carter et al. 2023, ApJL 951, L20（JWSTコロナグラフィ）
- Roman Coronagraph の要件 (arXiv:2,207.03607)