高精度視線速度系外惑星探査装置

高精度視線速度系外惑星探査装置 (HARPS) について

高精度視線速度系外惑星探査装置（High Accuracy Radial Velocity Planet Searcher, HARPS）は、ヨーロッパ南天天文台 (ESO) が運用する、太陽系外惑星観測のための非常に精密な観測装置です。2003年からチリのラ・シヤ天文台にある3.6m望遠鏡に設置され、視線速度法という手法を用いて太陽系外惑星の探査に貢献しています。

HARPSの観測原理

HARPSは、恒星のスペクトルにおけるドップラー効果を測定します。惑星が恒星の周りを公転する際、恒星もわずかに揺れ動きます。この動きは、恒星から発せられる光のスペクトルにわずかな変化（ドップラーシフト）として現れます。HARPSは、このドップラーシフトを非常に高い精度で測定することで、惑星の存在を間接的に検出します。特に、恒星の視線方向の動きを時速3.5kmという驚異的な精度で測定できる点が特徴です。

HARPSの成果

HARPSは、これまでに数多くの太陽系外惑星を発見しており、特にスーパーアースのような小型の惑星の発見に大きく貢献しています。2009年10月には32個の新たな惑星が報告され、合計75個の惑星を発見しました。また、2009年時点で知られていた低質量惑星の多くがHARPSによって発見されたと報告されています。

HARPSの開発経緯

1998年、ESOは1m/sの視線速度精度を持つ分光器の開発を公募しました。この呼びかけに応じたスイスのジュネーブ天文台、ドイツのベルン大学、フランスのオートプロバンス天文台の共同提案が採択され、フランス国立研究センターが設立したコンソーシアムが開発を担当することになりました。2000年にESOとコンソーシアムとの間で合意がなされ、コンソーシアムが分光器本体を、ESOが望遠鏡との接続に必要な機器と設置場所を提供することになりました。この合意の見返りとして、コンソーシアムは運用開始から5年間、年間100夜の観測時間を得ることができました。2003年1月に設置され、同年2月に最初の光を捉え、試運転を経て同年9月末にはラ・シヤ天文台へ引き渡されました。

HARPSの性能と設計

HARPSは、視線速度法による太陽系外惑星観測を目的として設計され、1m/sの精度で恒星の視線速度を測定することを目標としています。光学系の設計は、高分散分光器UVESをベースにしています。ファイバー供給式クロス分散エシェル分光器として、光を分光器本体に導き、エシェル回折格子とクロス分散素子で分散させ、CCDセンサー上に記録します。

検出器システムは、2枚のCCDセンサーからなり、全体の画素数は4k×4kです。これらのセンサーは個別に冷却されます。波長分解能はR=115,000と非常に高く、380-690nmの可視光領域をカバーします。高い視線速度測定能力を実現するため、高波長分解能とスループットの両立を目指し、光学系の大型化も行われました。

HARPSの安定性

HARPSの高い安定性は、分光器本体を真空容器に入れ、温度と気圧を厳密に制御することで実現しています。気圧変動による誤差を避けるため、内部は0.01ミリバール以下に減圧され、温度変動は0.001℃以内に抑えられています。また、安定性向上のため、可動部品を極力減らした設計になっています。波長較正のため、トリウム-アルゴンホロカソードランプを使用し、観測対象のスペクトルと並行して輝線を記録します。さらに、ヨウ素セルによる較正システムも搭載されています。

HARPSの改修

HARPSは、性能向上や機能追加のために改修が行われています。

較正システムの改良

当初はTh-Arホロカソードランプで較正を行っていましたが、ランプの輝線リストの拡充や、較正に採り入れる輝線の本数を増やすことで精度を向上させました。また、マックスプランク量子光学研究所 (MPQ) と共同でレーザー周波数コム (LFC) を導入する実験を行い、高精度な較正を実現しました。LFCは、均質で密かつ均等に分布した既知の波長の輝線を生成し、スペクトルの安定性を高められます。

HARPSpol

HARPSpolは、HARPSに偏光観測能力を追加するユニットで、2011年3月から観測が可能になりました。偏光分光観測は、天体の磁場を直接測定できる数少ない方法であり、HARPSpolの登場により南半球でも高精度の偏光観測が可能になりました。

NIRPS

2022年には、近赤外線分光器NIRPSが3.6m望遠鏡に設置されました。NIRPSは、HARPSと重複しない950-1800nmの波長範囲をカバーします。ダイクロイックミラーを用いて可視光と赤外線を分割し、HARPSとNIRPSを同時に使用することで、広範囲の波長をカバーするマルチチャンネル分光器として機能します。NIRPSの導入により、惑星由来の信号と恒星由来のノイズの判別が容易になり、より信頼性の高い惑星検出が可能になります。

まとめ

HARPSは、その高い精度と安定性により、太陽系外惑星探査において重要な役割を果たしてきました。また、継続的な改修によりその性能はさらに向上しており、今後も多くの発見が期待されています。

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