[論文レビュー] Gaia Radial Velocity Spectrometer

M. Cropper, D. Katz+41 more|Anet (University of Antwerp)|Apr 25, 2018

Electrical and Electromagnetic Research参考文献 1被引用数 67

ひとこと要約

この論文は、ESAのガイアミッションのラジアル速度分光器（RVS）の仕様、設計、開発を含む、事前打ち上げのコンセプト、飛行設計、飛行中の性能計画を提示します。

ABSTRACT

This paper presents the specification, design, and development of the Radial Velocity Spectrometer (RVS) on the European Space Agency's Gaia mission. Starting with the rationale for the full six dimensions of phase space in the dynamical modelling of the Galaxy, the scientific goals and derived top-level instrument requirements are discussed, leading to a brief description of the initial concepts for the instrument. The main part of the paper is a description of the flight RVS, considering the optical design, the focal plane, the detection and acquisition chain, and the as-built performance drivers and critical technical areas. After presenting the pre-launch performance predictions, the paper concludes with the post-launch developments and mitigation strategies, together with a summary of the in-flight performance at the end of commissioning.

研究の動機と目的

• Gaiaにおいてラジアル速度分光器を含める科学的根拠を説明し、完全な3次元の星の運動学と化学情報を達成する。
• Gaiaの天文測定ペイロードと統合するフライト機器の概念を説明し、RVSのトップレベル要件、設計選択を述べる。
• 主要なサブシステムと性能要因を含む、光学系、焦点面、検出チェーンの設計を概説する。
• 事前打ち上げの性能予測、打ち上げ後の開発、および運用開始期の飛行中の緩和戦略を提示する。

提案手法

• Gaiaの六次元位相空間の目標の中でRVSを推進する歴史的文脈と科学的動機を要約する。
• スキャン任務におけるスリットなし分光のための光学系、焦点平面、搭載データ処理を含むフライト機器の概念を詳述する。
• RVS焦点平面で用いられる光学設計要素（バンドパス847–874 nm、回折格子技術、遮蔽）と検出器配置（40 μmの深部 depletionを持つCCD91-72）を説明する。
• 解像度、サンプリング、制限等級、放射線影響、ノイズの考慮といったトップレベルの機器要件と、HRおよびLRモードの根拠を論じる。
• 事前打ち上げ予測が衛星軌道上の運用開始検討とどのように進化したか、および飛行中の性能がGaia DPAC処理とどのように統合されるかを説明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RVSの設計と性能目標を決定づけた主要な科学的推進力とミッション要件は何か。
• RQ2 Gaiaの既存のアストロメトリック焦点面内にフライトRVS機器概念はどのように実装され、重要な光学および検出器設計選択は何か。
• RQ3 予想されるおよび観測された性能要因（ノイズ、放射線劣化、ストレイライト）は何か、そしてそれらがラジアル速度測定と化学パラメータ回復にどのように影響するか。
• RQ4 事前打ち上げの性能予測と打ち上げ後の検証結果および飛行中の最適化を比較するとどうなるか。
• RQ5 ラジアル速度を超える星のパラメータの広い天空分光調査を可能にするというRVSの役割は何か。

主な発見

• RVSのバンドパスは847–874 nmで、Ca II三重項を捉えつつ背景とスペクトルの重なりを最小限に抑えるよう設計されている。
• フライトRVSは、オフ軸の三鏡アナスティグマットGaia望遠鏡を2基用い、単一の光学モジュールが光を焦点面の4列×3ストリップ（合計12CCD）に分散する。
• 公称スペクトル分解能は約10,400で、HRモードは10,500–12,500（90% ≥ 10,000、最大13,500）、LRモードは読み出しノイズを低減してより暗い天体向け。
• 放射線ダメージと検出器の読み出しノイズが主要な性能推進力で、設計選択に影響を与え、ラジアル速度の精度を維持するためにデータ処理でのモデリングが必要。
• 事前打ち上げの性能予測は衛星軌道上の検証結果に取って代わられ、最適化と更新された性能予測を必要とした。
• RVSは天空全体の分光調査を可能にし、Gaiaのアストロメトリとフォトメトリを補完するラジアル速度と天体物理パラメータを提供する。