[論文レビュー] From Cosmic Birth to Living Earths: The Future of UVOIR Space Astronomy

Julianne J. Dalcanton, Sara Seager+15 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2015

Space Science and Extraterrestrial Life参考文献 9被引用数 61

ひとこと要約

本論文は、太陽・地球L2付近に配置される12メートルクラスの宇宙望遠鏡「ハイ・ディフレーション・スペース・テレスコープ（HDST）」を提案する。この望遠鏡は、太陽型の恒星の habitable zone（ハビタブルゾーン）に存在する数十個の地球型系外惑星を直接撮像し、その大気を特徴づけることを可能にし、銀河形成から生命の起源に至るあらゆる分野の天文学的進展をもたらす。技術開発を今すぐに開始すれば、このようなミッションが技術的に実現可能であり、科学的に画期的な成果を挙げられることを示している。

ABSTRACT

For the first time in history, humans have reached the point where it is possible to construct a revolutionary space-based observatory that has the capability to find dozens of Earth-like worlds, and possibly some with signs of life. This same telescope, designed as a long-lived facility, would also produce transformational scientific advances in every area of astronomy and astrophysics from black hole physics to galaxy formation, from star and planet formation to the origins of the Solar System. The Association of Universities for Research in Astronomy (AURA) commissioned a study on a next-generation UVOIR space observatory with the highest possible scientific impact in the era following JWST. This community-based study focuses on the future space-based options for UV and optical astronomy that significantly advance our understanding of the origin and evolution of the cosmos and the life within it. The committee concludes that a space telescope equipped with a 12-meter class primary mirror can find and characterize dozens of Earth-like planets and make fundamental advances across nearly all fields of astrophysics. The concept is called the High Definition Space Telescope (HDST). The telescope would be located at the Sun-Earth L2 point and would cover a spectral range that, at a minimum, runs from 0.1 to 2 microns. Unlike JWST, HDST will not need to operate at cryogenic temperatures. HDST can be made to be serviceable on orbit but does not require servicing to complete its primary scientific objectives. We present the scientific and technical requirements for HDST and show that it could allow us to determine whether or not life is common outside the Solar System. We do not propose a specific design for such a telescope, but show that designing, building and funding such a facility is feasible beginning in the next decade - if the necessary strategic investments in technology begin now.

研究の動機と目的

• ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）に続く次世代のUVOIR宇宙天文観測所の科学的・技術的要件を定義すること。
• 生命が宇宙に広く存在するかという根本的な問いに答えるために、地球サイズの系外惑星の直接撮像と大気の特徴づけを可能にすること。
• ブラックホール物理学から惑星系の形成に至るあらゆる分野の天文学的進展を実現すること。
• 0.1〜2ミクロンのスペクトル範囲をカバーする長期運用可能で、保守可能な宇宙望遠鏡のコミュニティ主導のロードマップを策定すること。
• 今後10年以内にミッションを実現可能にするために、重要な技術分野への早期投資を提言すること。

提案手法

• AURAが主導するコミュニティベースの調査を通じて、将来のUVOIR宇宙天文観測のニーズと能力を評価する。
• 紫外線、可視光、近赤外線の波長域にわたる高分解能および高感度を最適化した12メートルの主鏡を備えた望遠鏡を定義する。
• 冷却不要の熱的平衡運用を想定し、長寿命化と宇宙空間での保守可能性を実現する。
• 高度なスターシェードおよびコロナグラフ技術を活用して、反射光における地球型系外惑星の直接撮像を可能にする。
• 0.1〜2ミクロンの波長域をカバーする多波長の科学機器を統合し、系外惑星の大気の詳細な分光的特徴づけを可能にする。
• ミッション構成とコストシナリオをモデル化することで、実現可能性を示し、今後の資金調達と技術開発を導く。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 12メートルの主鏡を備えた宇宙望遠鏡は、太陽型の恒星のハビタブルゾーンに存在する数十個の地球サイズの系外惑星を直接撮像し、その特徴を明らかにできるか？
• RQ2 長期的な安定性と保守可能性を維持しつつ、高対比の系外惑星撮像を達成するために必要な技術的およびミッション設計上の選択肢は何か？
• RQ3 UVOIR宇宙望遠鏡は、銀河の進化から星や惑星系の形成に至るあらゆる分野の基礎的科学をどのように前進させられるか？
• RQ4 系外惑星の大気中にバイオシグネチャを検出するために必要な最小限の機器とスペクトル範囲は何か？
• RQ5 今すぐに主要システムの技術開発を開始すれば、そのような望遠鏡を10年以内に開発・打ち上げることは可能か？

主な発見

• 12メートルのUVOIR宇宙望遠鏡（HDST）は、近くの恒星のハビタブルゾーンに存在する数十個の地球サイズの系外惑星を検出・特徴づけることができる。
• 望遠鏡の0.1〜2ミクロンのスペクトル範囲により、系外惑星の反射光における直接撮像と大気の詳細な分光的特徴づけが可能になる。
• HDSTは冷却不要の運用を実現しており、複雑さを低減するとともに、宇宙空間での保守可能性を有している。
• 主要システムの技術開発を今すぐに開始すれば、技術的に実現可能であり、今後10年以内に打ち上げ可能である。
• HDSTは、ブラックホールの降着から太陽系の起源に至るあらゆる分野の天文学的科学を画期的に前進させる。
• 本調査は、系外惑星の大気中のバイオシグネチャの検出を通じて、生命が太陽系外に広く存在するかどうかを特定できると結論づけている。