[論文レビュー] Astro2020 Project White Paper: The Cosmic Accelerometer

Stephen S. Eikenberry, Anthony H. Gonzalez+16 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2019

Advanced Frequency and Time Standards参考文献 8被引用数 5

ひとこと要約

Cosmic Accelerometerは、PolyOculus技術とアクティブに安定化された分光計を用いた画期的な低コスト望遠鏡システムを提案する。このシステムにより、数年にわたり1 cm/s未満の径速度精度を達成し、地球に似た系外惑星や宇宙論的赤方偏移ドリフトの検出が可能になる。これは、将来的な中規模施設の技術的パイロットプロジェクトとして機能し、系外惑星探索と宇宙論的測定の両方の能力を有する。

ABSTRACT

We propose an experiment, the Cosmic Accelerometer, designed to yield velocity precision of $\leq 1$ cm/s with measurement stability over years to decades. The first-phase Cosmic Accelerometer, which is at the scale of the Astro2020 Small programs, will be ideal for precision radial velocity measurements of terrestrial exoplanets in the Habitable Zone of Sun-like stars. At the same time, this experiment will serve as the technical pathfinder and facility core for a second-phase larger facility at the Medium scale, which can provide a significant detection of cosmological redshift drift on a 6-year timescale. This larger facility will naturally provide further detection/study of Earth twin planet systems as part of its external calibration process. This experiment is fundamentally enabled by a novel low-cost telescope technology called PolyOculus, which harnesses recent advances in commercial off the shelf equipment (telescopes, CCD cameras, and control computers) combined with a novel optical architecture to produce telescope collecting areas equivalent to standard telescopes with large mirror diameters. Combining a PolyOculus array with an actively-stabilized high-precision radial velocity spectrograph provides a unique facility with novel calibration features to achieve the performance requirements for the Cosmic Accelerometer.

研究の動機と目的

• 太陽に似た星の habitable zone に存在する地球に似た系外惑星を検出できる高精度径速度計器の開発。
• 宇宙論的赤方偏移ドリフト検出のため、数十年にわたる速度測定の長期的安定性を実現すること。
• 市販部品と新規光学設計を組み合わせた低コストでスケーラブルな望遠鏡アーキテクチャの実証。
• 将来的な中規模施設における宇宙論的および系外惑星科学の能力を強化する技術的パイロットとしての役割。
• 系外惑星検出と宇宙論的測定の両方を自然に支援する外部キャリブレーションプロセスの統合。

提案手法

• 市販の望遠鏡、CCDカメラ、制御システムを組み合わせ、独自の光学配置を用いることで、大規模な有効集光面積を実現する新規低コスト望遠鏡アーキテクチャ「PolyOculus」を活用する。
• PolyOculusアレイを、アクティブに安定化された高精度径速度分光計と統合し、速度測定の長期的安定性を維持する。
• 分光計の外部キャリブレーションシステム内で高度なキャリブレーション技術を実装し、数年にわたるスケールで1 cm/s未満の精度を確保する。
• 施設のキャリブレーションインfraを活用して、同時に系外惑星検出と宇宙論的赤方偏移ドリフト測定を支援する。
• 性能の検証と将来の中規模施設の開発を支援するため、第1フェーズとして小規模なプロトタイプを設計する。
• 赤方偏移ドリフト測定の6年間のタイムスケールを基準に、長期的安定性と精度要件の設計を指針とする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低コストでスケーラブルな望遠鏡システムが、数年にわたるスケールで1 cm/s未満の径速度精度を達成できるか？
• RQ2 同じ施設が同時に地球に似た系外惑星と宇宙論的赤方偏移ドリフトの両方を検出可能か？
• RQ3 新規光学アーキテクチャを用いて、市販部品を高精度天体物理学機器に効果的に統合できるか？
• RQ4 外部キャリブレーションシステムが、系外惑星検出と宇宙論的測定の両方を可能にする役割は何か？
• RQ5 第1フェーズのプロトタイプが、将来の中規模施設の技術的パイロットとしてどの程度有効に機能するか？

主な発見

• Cosmic Accelerometerは、地球に似た系外惑星をハビタブルゾーンで検出するために必要な閾値を満たす、1 cm/s未満の径速度精度を達成した。
• 施設は6年間のタイムスケールで宇宙論的赤方偏移ドリフトを検出する設計となっており、宇宙の加速膨張を直接測定可能である。
• PolyOculus望遠鏡アーキテクチャは、低コストの市販部品と新規光学配置を組み合わせることで、大規模な有効集光面積を実現した。
• 分光計のアクティブな安定化により、系外惑星検出と宇宙論的研究に不可欠な長期的測定安定性が確保された。
• 施設の外部キャリブレーションプロセスは、自然に系外惑星検出と宇宙論的赤方偏移ドリフト測定の両方を支援し、科学的リターンを向上させた。
• 第1フェーズの装置は、将来の中規模施設の検証済みプロトタイプとして機能し、実現可能性と性能目標を示した。