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[PPS07-P15] ALMA望遠鏡を用いたエウロパ表面輝度温度マッピング：画像合成方法の評価
キーワード：エウロパ、アルマ望遠鏡、電波干渉系、開口合成
太陽系内の氷天体における内部海は、宇宙におけるハビタビリティを議論する上でも非常に重要である。木星の氷衛星エウロパは内部海の存在が期待される太陽系内の天体の一つであるが、その存否を示す直接的な観測的根拠は未だ得られていない。内部海の存在に迫る有力な手掛かりは、土星の氷衛星エンセラダスで発見されたような間欠泉の噴出を検出することであろう。
過去、間欠泉から噴出した水蒸気から分離して外圏に広がったとも考えられるような水素原子や酸素原子の極端紫外線発光の観測(Roth et al., 2014)や、木星放射を背景光とした間欠泉の影の掩蔽観測の試み(Sparks et al., 2016; 2017; Giono et al., 2020)、地上の大型赤外望遠鏡を用いた近赤外高分散分光での水分子の観測(Paganini et al., 2020)など、間欠泉の検出を目的とした観測がいくつか行われている。それらいずれも間欠泉の確固たる検出までには至っておらず、今後も継続的な観測的アプローチが必要である。
前述の観測とは異なるアプローチとして、エウロパ表面の観測から間欠泉の存否を議論した試みも存在する。Galileo探査機で得られたエウロパ表面の赤外線画像では、Pwyllクレータの領域に熱異常が示された(Spencer et al., 1999)。このことから、周囲よりも大きな地熱量がこの領域に存在し、間欠泉の発生に繋がるのではないかと想像された。この仮説を検証するため、Trumbo et al. (2017)では、ALMA望遠鏡を用いた地表面輝度温度の観測を行い、Galileo探査機の観測結果とあわせて一次元熱拡散モデル解析を行った結果、Galileo探査機で観測された熱異常は、地熱量の顕在ではなく、熱慣性異常で説明できることが示された。
Trumbo et al.の解析は、エウロパ表面輝度温度の日変化から表面の熱慣性を導出するという、ALMAの高い空間分解観測能力を活かしたものである。その一方で、ALMAの輝度絶対値校正の精度や干渉計画像合成の忠実性の検証といった、観測データが持つ不確かさについての評価が十分に行われているとは言い難い。また、ALMAによるエウロパ観測はその後もしばしば行われており、それら複数の新規データを全て含めた再解析が実現できれば、熱慣性などの推定精度も大きく改善すると考えられる。異なる時期に異なる観測条件で取得された観測データを同一に解析に用いるには、個々の観測データの校正精度や画像合成の忠実性を定量評価しておく必要が有る。そこで本研究では、これらの点に焦点を当て、ALMA望遠鏡を用いたエウロパ表面観測の妥当性を議論する。
研究手法は以下のとおりである。まず、過去のVoyagerおよびGalileo探査機の観測で得られたエウロパ表面のグレイスケールマップをもとに、ALMA望遠鏡で実際にエウロパが観測された日時における、地球から見たエウロパ画像を作成した。この画像を入力画像として、ALMA望遠鏡のアンテナ配列やデータ積分時間を考慮した疑似干渉計観測データを生成し、それを実観測データと同様の手法で画像合成（CLEAN）した。得られたCLEAN画像と元の入力画像を比較することで、干渉計の画像合成の忠実性や干渉計のサイドローブパターンの影響などを定量的に評価する。
過去、間欠泉から噴出した水蒸気から分離して外圏に広がったとも考えられるような水素原子や酸素原子の極端紫外線発光の観測(Roth et al., 2014)や、木星放射を背景光とした間欠泉の影の掩蔽観測の試み(Sparks et al., 2016; 2017; Giono et al., 2020)、地上の大型赤外望遠鏡を用いた近赤外高分散分光での水分子の観測(Paganini et al., 2020)など、間欠泉の検出を目的とした観測がいくつか行われている。それらいずれも間欠泉の確固たる検出までには至っておらず、今後も継続的な観測的アプローチが必要である。
前述の観測とは異なるアプローチとして、エウロパ表面の観測から間欠泉の存否を議論した試みも存在する。Galileo探査機で得られたエウロパ表面の赤外線画像では、Pwyllクレータの領域に熱異常が示された(Spencer et al., 1999)。このことから、周囲よりも大きな地熱量がこの領域に存在し、間欠泉の発生に繋がるのではないかと想像された。この仮説を検証するため、Trumbo et al. (2017)では、ALMA望遠鏡を用いた地表面輝度温度の観測を行い、Galileo探査機の観測結果とあわせて一次元熱拡散モデル解析を行った結果、Galileo探査機で観測された熱異常は、地熱量の顕在ではなく、熱慣性異常で説明できることが示された。
Trumbo et al.の解析は、エウロパ表面輝度温度の日変化から表面の熱慣性を導出するという、ALMAの高い空間分解観測能力を活かしたものである。その一方で、ALMAの輝度絶対値校正の精度や干渉計画像合成の忠実性の検証といった、観測データが持つ不確かさについての評価が十分に行われているとは言い難い。また、ALMAによるエウロパ観測はその後もしばしば行われており、それら複数の新規データを全て含めた再解析が実現できれば、熱慣性などの推定精度も大きく改善すると考えられる。異なる時期に異なる観測条件で取得された観測データを同一に解析に用いるには、個々の観測データの校正精度や画像合成の忠実性を定量評価しておく必要が有る。そこで本研究では、これらの点に焦点を当て、ALMA望遠鏡を用いたエウロパ表面観測の妥当性を議論する。
研究手法は以下のとおりである。まず、過去のVoyagerおよびGalileo探査機の観測で得られたエウロパ表面のグレイスケールマップをもとに、ALMA望遠鏡で実際にエウロパが観測された日時における、地球から見たエウロパ画像を作成した。この画像を入力画像として、ALMA望遠鏡のアンテナ配列やデータ積分時間を考慮した疑似干渉計観測データを生成し、それを実観測データと同様の手法で画像合成（CLEAN）した。得られたCLEAN画像と元の入力画像を比較することで、干渉計の画像合成の忠実性や干渉計のサイドローブパターンの影響などを定量的に評価する。