[論文レビュー] ESA Voyage 2050 white paper -- Faint objects in motion: the new frontier of high precision astrometry

F. Malbet, U. Abbas+29 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2019

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 10被引用数 8

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、微小アーキ秒レベルの精度で微弱で動きのある対象物—例えば遠方の銀河の恒星や系外惑星を有する天体—を測定することを目的とした、宇宙に配備される天体測位計画を提唱している。単一の望遠鏡を用い、高度なメトロロジー技術と高感度検出器を組み合わせることで、ダークマターの分布や地球型系外惑星の存在といった、宇宙論的・天体物理学的 fundamentallyな問いに答えを導く。

ABSTRACT

Sky survey telescopes and powerful targeted telescopes play complementary roles in astronomy. In order to investigate the nature and characteristics of the motions of very faint objects, a flexibly-pointed instrument capable of high astrometric accuracy is an ideal complement to current astrometric surveys and a unique tool for precision astrophysics. Such a space-based mission will push the frontier of precision astrometry from evidence of earth-massed habitable worlds around the nearest starts, and also into distant Milky way objects up to the Local Group of galaxies. As we enter the era of the James Webb Space Telescope and the new ground-based, adaptive-optics-enabled giant telescopes, by obtaining these high precision measurements on key objects that Gaia could not reach, a mission that focuses on high precision astrometry science can consolidate our theoretical understanding of the local universe, enable extrapolation of physical processes to remote redshifts, and derive a much more consistent picture of cosmological evolution and the likely fate of our cosmos. Already several missions have been proposed to address the science case of faint objects in motion using high precision astrometry ESA missions: NEAT for M3, micro-NEAT for S1 mission, and Theia for M4 and M5. Additional new mission configurations adapted with technological innovations could be envisioned to pursue accurate measurements of these extremely small motions. The goal of this white paper is to address the fundamental science questions that are at stake when we focus on the motions of faint sky objects and to briefly review quickly instrumentation and mission profiles.

研究の動機と目的

• 極めて微弱な天体の運動を、類例なき高精度で測定することで、宇宙論および素粒子物理学における未解決の問いに応える。
• ガイヤのような現在の測位調査では、非常に微弱または遠方の標的の運動を解明できないという限界を克服する。
• 矮星族球状銀河および銀河のハロー領域におけるダークマターの分布を、1アーキ秒未満のスケールで調査することで、ダークマターの性質を解明する。
• ダークエネルギーおよび極端な条件下での物質の状態方程式を含む、宇宙論的モデルに対する直接的な制約を可能にする。
• 高精度測位と理論的モデリングを統合することで、ΛCDMパラダイムの予測を検証する、精度天体物理学の前進を図る。

提案手法

• 微小アーキ秒レベルの測位精度を達成するため、高精度の焦点面アレイを備えた宇宙空間に配備された、指向性が柔軟な望遠鏡を活用する。
• 時間変動する望遠鏡の幾何的歪みを、1マイクロラジアン未満のレベルでモニタリング・補正するため、線形変位干渉計を用いたメトロロジー補助システムを実装する。
• 焦点面アレイの歪みを10−6ピクセルの精度にまで低減するため、基準星とレーザー駆動の光ファイバーを用いて校正を実施し、系誤差を最小限に抑える。
• 飛行中の校正を可能にする安定な基準パターンを生成するため、主鏡に精密なドットアレイを施した回折型ピラーブを採用する。
• 低読み出しノイズで大容量の可視光および赤外線アレイ（例：Alfa検出器）を含む先端検出器技術を活用し、光子収集効率と信号の忠実度を最大化する。
• 長期間の観測データ（例：4年間で1000時間）を統合することで、光子ノイズを低減し、微弱な標的（R ~ 20 mag）の自己運動測定精度を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 矮星族球状銀河の中心部におけるダークマターの真の分布は何か？ これはΛCDMシミュレーションで予測される「くびれ型」プロファイルと乖離しているか？
• RQ2 銀河のダークマターハローは縦長の形状をしているのか？ そして高精度測位によってその外側構造が制約可能か？
• RQ3 銀河の衛星サブハローの最小質量は何か？ それらの数はΛCDM予測と一致するのか、あるいは代替のダークマターモデルを示唆するのか？
• RQ4 微小アーキ秒レベルの測位によって、特に居住可能な領域にいる近傍星の周りの地球質量の系外惑星を検出可能か？
• RQ5 小スケールでの密度揺らぎのパワースペクトルを直接測定することで、ΛCDMが予測するよりもダークマターが温かいか、自己相互作用を示すかを検証可能か？

主な発見

• R = 20 magの対象で10 μas、R = 5 magの対象で0.15 μasの精度を達成するミッションは、近傍星の周りの地球質量惑星の検出を可能にする。これはTheiaミッション仕様と同等の性能を有する。
• ドラコなどのdSphにおける恒星の自己運動測定は、核心型とくびれ型のダークマタープロファイルを区別可能であり、4年間で1000時間の観測により、これらの差を解明できるとシミュレーションで示されている。
• 基準星とレーザー駆動メトロロジー系を用いた焦点面校正により、測位における系統誤差を10−6ピクセルレベルまで低減可能である。
• 熱的および構造的要因（例：マイクロクランク、ガス放出）に起因する望遠鏡幾何的変化は、ピコモール単位の精度を持つ干渉計メトロロジー系でモニタリング・補正可能である。
• 回折型ピラー技術により、明るい基準星（0等）を用いた飛行中校正が可能であり、7等までの微弱な標的に対しても、科学観測中に応用可能である。
• ESAとLynredが共同開発したAlfa検出器のような検出器技術は、低読み出しノイズと大容量アレイを備えており、微弱天体測位に必要な感度と精度を満たす。