【研究領域課題番号】21H01142 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

電波天文学 / 大気化学 / 星間化学 / リモートセンシング / 惑星大気化学 / 惑星大気物理 / テラヘルツ / 輻射輸送 / ビッグデータ / 大気物理学 / 輻射輸送計算

【研究成果の概要】

本研究では，地上最大のテラヘルツ電波干渉計である「アルマ」を用い，特に海王星・タイタンを対象とした大気リモートセンシングを行うことで，その大気環境の解明を目指している．
本研究の特色として，惑星大気の観測研究をコアとして，その周辺領域（原始惑星系円盤観測，星間化学，地球大気物理，輻射輸送計算）の研究者によるチームを構成，学際的な取り組みを展開していることが挙げられる．初年度は，チーム内での連携により，複数の研究グループを形成し，今後の取組の基盤となる成果が創出された．
初年度の主たる成果として，アルマを用いたタイタン大気中のシアノアセチレン(HC3N)分子中の3種の13C同位体の存在量比の世界初の導出（査読付き雑誌論文として掲載）をあげることができる．星間空間において，同分子の3つの炭素原子のうち，その両端にある1ないし2の原子に13Cが濃集することが知られている．本研究では，タイタン大気中においては星間空間ほどの濃集が見られないことを示し，星間化学との気相化学過程の比較を行った．また，タイタン大気における微量分子の3次元分布の自動導出をオープンソースソフトウェアのみで行うソフトウェアの開発・検証を行い，結果を査読付きプロシーディングスとして発表した．また，海王星大気物理についての学会発表及び論文投稿，火星大気のアルマ実データを用いた輻射輸送コードの開発・検証と学会発表にも取り組んだ．

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2021-04-01 - 2026-03-31

【配分額】16,900千円 (直接経費: 13,000千円、間接経費: 3,900千円)

【研究領域課題番号】19K14782 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

電波天文学 / 大気化学 / 大気物理 / リモートセンシング / テラヘルツ / ビッグデータ / 逆問題 / 最適化問題 / アルマ

【研究成果の概要】

世界最大のテラヘルツリモートセンサであるアルマ干渉計を用い，探査機に比肩する大気リモートセンシング技術基盤の開発・検証と，これを用いた大気化学過程研究を行った．研究成果として特に重要であるのは，土星衛星タイタンにおけるアセトニトリル分子中の窒素同位体の導出である．得られた値は窒素分子と調和的であり，アセトニトリルが銀河宇宙線解離を経て窒素分子から直接生成されている可能性が示された．

【研究の社会的意義】

近年，地上大型望遠鏡の技術革新により，太陽系外惑星大気の組成までもが観測的に明らかにされつつある．翻って，太陽系内惑星大気の観測的研究は，ボイジャーやカッシーニといった探査機によりブレイクスルーがもたらされてきたが，探査機の利活用の機会は極端に限定されている．本研究では，特に太陽系外天体の観測において用いられてきた地上大型電波望遠鏡を太陽系内惑星大気の観測においても利活用することで，探査機に比肩する大気化学・大気物理観測の基盤技術開発と，これを用いた惑星大気環境の解明という成果を上げてきた．今後は本研究を基盤として，タイタン・海王星の大気環境をさらに詳らかにしていく．

【研究種目】若手研究

【研究期間】2019-04-01 - 2022-03-31

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)

【研究分野】地球宇宙化学

【研究領域課題番号】17K14420 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

電波天文学 / テラヘルツ / リモートセンシング / ビッグデータ / 最適化問題 / 大気化学 / アルマ / サブミリ波 / 海王星 / タイタン / アルマ望遠鏡 / 並列計算 / 惑星起源・進化 / 地球化学 / テラヘルツ/赤外材料・素子

【研究成果の概要】

アルマはミリ波・サブミリ波の波長域において世界最高の感度と空間分解能を実現するリモートセンサである．この波長域を用いた惑星大気観測には，多様な分子の3次元分布の導出，成層圏における風速の直接導出，そして分子輝線・連続波の双方を用いた気温3次元分布の導出といった強みが存在する．本研究では，特にアルマを中心とした地上大型望遠鏡群の積極的な利活用により，地上観測による太陽系内惑星大気物理・化学環境の観測的解明に挑み，その基盤となるデータ処理パイプラインの開発という工学的成果，これを用いた海王星・タイタン大気および固体天体表面の環境解明という理学的成果の双方を挙げることに成功した．

【研究の社会的意義】

本研究の工学的成果として，アルマ望遠鏡の較正観測用データの科学研究用データへの高速変換パイプラインの開発と運用に成功したことが挙げられる．アルマ望遠鏡は多様な太陽系内天体を1日に複数回観測しており，その莫大なデータ群は，時間・周波数方向について巨大な太陽系天文学ビッグデータである．
本データ群から，最も高精細な海王星の連続波観測データを選び，世界初のサブミリ波における海王星大気構造の観測的導出に成功した．また，タイタン大気中の分子分布の時空間変動の導出，同位体の検出，速度構造の導出などにも成功しており，ごく近い将来の論文化を目指している．

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2017-04-01 - 2020-03-31

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)

【研究分野】天文学

【研究領域課題番号】26287033 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

天文学 / 地球・惑星科学 / 超伝導デバイス / テラヘルツ波 / ヘテロダイン分光 / 放射輸送モデル / リモートセンシング / 微細加工 / テラヘルツ / 宇宙物理学 / 超伝導検出素子 / デバイスプロセス / 電波天文学 / 地球惑星科学 / 超伝導検出器 / テラヘルツ分光 / 地球・惑星 / 暗黒星雲 / 太陽活動 / プラズマプロセス / ヘテロダインセンシング / 惑星科学

【研究成果の概要】

テラヘルツ(THz)帯は電波と赤外の狭間にあり、高感度なヘテロダイン検出器が未開拓の波長領域となっている。銀河の物質循環を担う炭素イオンや酸素原子、その他多くの分子の高励起線、地球・惑星の酸化反応を司るOHラジカルなどのスペクトル線も1.8-2THz帯に分布する。これらガス種の周波数高分解能のリモートセンシングの突破口を開くべく、超伝導NbTiN細線を集積したホーン/導波路型ホットエレクトロンボロメータ(HEB)ミクサ素子を1.8-2THz帯まで設計を高周波化し、その微細加工技術を確立した。また、本HEBミクサを用いた地球・惑星大気の衛星リムサウンディング観測のフィジビリティを検証した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2014-04-01 - 2018-03-31

【配分額】16,770千円 (直接経費: 12,900千円、間接経費: 3,870千円)

【研究分野】環境動態解析

【研究領域課題番号】19310009 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

地球観測 / リモートセンシング / テラヘルツ / 赤外材料・素子 / 量子エレクトロニクス / 環境変動 / 先端機能デバイス / 地球変動予測 / 超伝導材料・素子

【研究成果の概要】

大気中の酸素原子(OI)やOHラジカルは、オゾン層回復・破壊や地球温暖化、揮発性有機物質の消失過程について理解を深める上で鍵を握る成分である。我々はこれらのガス種の1.8-4THz帯スペクトル線のリモートセンシグを実現すべく、NbTiN超伝導細線を集積したホットエレクトロンボロメータミクサと呼ばれる次世代のヘテロダイン検出素子の改良・開発を行った。さらに、低振動のパルス管冷凍機を用いた冷却性能評価システムを開発し、これを実際に用いて、1.5THz帯でのHEBM素子の雑音性能、動作安定性を評価した。その結果、1600K以下の雑音温度(RF/LO結合効率とレンズ表面での反射を校正)を実現した。さらに、この最小雑音温度域には、中間周波(IF)出力(0.8-1.5GHz)の極大値が存在し、この場所において実用的な10秒以上の安定時間(アラン分散)を得られることが分かった。これは、電流電圧(局部発振波パワー)の揺らぎの影響がIF極大域では緩和されることを示唆する。我々のHEBM素子は特異な特徴をもつことが分かったが、これらは、本申請において安定・高信頼の冷却系・バイアス回路系などの評価システムをあわせて開発したことで、初めて得ることができた成果である。今後HEBMの1.8-4THz帯での高感度化・安定化を図り、測器搭載による実観測を目指す。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2007 - 2009

【配分額】20,410千円 (直接経費: 15,700千円、間接経費: 4,710千円)