[論文レビュー] A Hubble Astrometry Initiative: Laying the Foundation for the Next-Generation Proper-Motion Survey of the Local Group

Nitya Kallivayalil, Andrew Wetzel+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2015

Adaptive optics and wavefront sensing被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、ACSおよびWFC3を用いて、すべての局所群矮星銀河および高表面輝度星の流に長基準の自己運動測定を確立するため、5年間のハッブル宇宙望遠鏡（HST）アストロメトリー計画を提案する。第1期の観測を第1年で実施し、第2期の観測を第5年で実施することで、正確な軌道再構築、ダークマター制約、再正接化歴史の探査が可能となり、HSTのレガシがジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）およびWFIRST時代へと続くことを保証する。本計画は440軌道のプログラムで、100の対象を対象としている。

ABSTRACT

High-precision astrometry throughout the Local Group is a unique capability of the Hubble Space Telescope (HST), with potential for transformative science, including constraining the nature of dark matter, probing the epoch of reionization, and understanding key physics of galaxy evolution. While Gaia will provide unparalleled astrometric precision for bright stars in the inner halo of the Milky Way, HST is the only current mission capable of measuring accurate proper motions for systems at greater distances (> 80 kpc), which represents the vast majority of galaxies in the Local Group. The next generation of proper-motion measurements will require long time baselines, spanning many years to decades and possibly multiple telescopes, combining HST with the James Webb Space Telescope (JWST) or the Wide-Field Infrared Survey Telescope (WFIRST). However, the current HST allocation process is not conducive to such multi-cycle/multi-mission science, which will bear fruit primarily over many years. We propose an HST astrometry initiative to enable long-time-baseline, multi-mission science, which we suggest could be used to provide comprehensive kinematic measurements of all dwarf galaxies and high surface-density stellar streams in the Local Group with HST's Advanced Camera for Surveys (ACS) or Wide Field Camera 3 (WFC3). Such an initiative not only would produce forefront scientific results within the next 5 years of HST's life, but also would serve as a critical anchor point for future missions to obtain unprecedented astrometric accuracy, ensuring that HST leaves a unique and lasting legacy for decades to come.

研究の動機と目的

• 現在のHST一般観測者割り当てプロセスでは、長時間基準や複数ミッションにわたるアストロメトリックプロジェクトをサポートしていないという制限を克服するため。
• すべての既知の局所群矮星銀河および高表面密度星の流（1 Mpcまで）に対して、正確な自己運動測定を可能にする包括的かつ長期的なHSTアストロメトリー計画を確立するため。
• 最初の観測と第2期の観測の両方のHST観測データを基盤とするデータセットを構築し、銀河のハロー内部の運動学および軌道歴の強固な動力学的モデリングを可能にするため。
• JWST や WFIRST といった将来的なミッションがHSTの高精度アストロメトリーを基盤に据えることができるよう、HSTのレガシを2020年代にわたって延長するため。
• 既存の測定が10件（70個中）にとどまるという自己運動データの深刻な欠落を埋めるために、18個の矮星銀河および2つの流に対して最初の観測画像を優先的に取得するため。

提案手法

• 2段階の観測戦略を実施：第1年には、アーカイブデータが不足している18個の矮星銀河および2つの流に対して最初の観測を実施し、第5年には、既存のアーカイブデータを持つ全100対象に対して第2期観測を実施する。
• アストロメトリック測定における系誤差を実地で自己補正可能にするために、平均して1対象あたり4回の観測を実施し、測定精度を向上させる。
• Gaiaの精度が低下する80 kpcを超える領域においても、高分解能かつ安定したアストロメトリーを実現するため、HSTのアドバンスド・カメラ・フォー・サーベイズ（ACS）およびワイドフィールド・カメラ3（WFC3）を活用する。
• HSTのデータと将来的なJWSTおよびWFIRSTの観測を統合することで、長基準の軌道再構築に類例のない高精度なアストロメトリーを達成する。
• 科学的インパクトを基準に、星形成歴が既知の矮星銀河、高表面密度星の流、ダークマターおよび再正接化に関連するシステムを優先順位に据える。
• 長時間基準および複数ミッションにわたるアストロメトリックプロジェクトに特化した、HSTの新しい割り当てカテゴリーやイニシアチブ（UVイニシアチブを模倣）を提唱する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長基準のHSTアストロメトリーは、Gaiaの精度が制限される80 kpcを超える領域の局所群矮星銀河に対して、自己補正可能な正確な自己運動測定を提供できるか？
• RQ2 HSTのアストロメトリックデータは、現在の線速度のみの測定よりも、はるかに高い精度で銀河のハロー質量プロファイルを制約できるか？
• RQ3 超微弱矮星銀河の自己運動に基づく軌道歴は、宇宙の再正接化期（z > 6）にそれらが孤立していたか、あるいは銀河のハロー内に存在していたかをどれほど明確に示せるか？
• RQ4 自己運動の測定は、局所群内の矮星銀河および星の流の間で物理的関連性（例：準集団や潮汐流）を区別できるか？
• RQ5 JWST や WFIRST といった将来的なミッションと互換性を保ちつつ、HSTアストロメトリーの科学的帰結を最大化する最適な観測戦略は何か？

主な発見

• 本計画は5年間で440軌道のプログラムを実施し、第1年には112軌道、第5年には328軌道を割り当て、100の対象（70個の矮星銀河および6本の高表面密度流）を対象とする。
• 70個の既知の局所群矮星銀河のうち、正確な自己運動測定が発表されたのは10個にとどまり、少なくとも18個はACS/WFC3による信頼できる最初の観測基準が欠落している。
• すべての衛星および流の自己運動測定により、線速度測定に比べて速度空間の次元が3倍に増加し、質量プロファイルのより厳密な制約と動力学的モデルの検証が可能になる。
• 1つの星あたり5 km s⁻¹未満の精度で矮星の内部運動学を測定する、または300 kpcを超える軌道の自己運動を30 km s⁻¹以内の精度で測定するには、10～20年の基準が必要であり、HSTの早期観測が不可欠である。
• 現在のHST一般観測者プロセスは、複数サイクルや複数ミッションのプロジェクトをサポートしていないため、長基準アストロメトリーの範囲は、わずかに明るく近くのシステムに限定されている。
• 今後、HSTのアストロメトリック基盤を確立することで、JWST や WFIRST の将来的なデータと最適に組み合わせられ、数十年にわたるレガシ科学の最大化が可能になる。