[論文レビュー] GaiaNIR: Combining optical and Near-Infra-Red (NIR) capabilities with Time-Delay-Integration (TDI) sensors for a future Gaia-like mission

D. Hobbs, E. Høg+23 more|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 8被引用数 32

ひとこと要約

本論文は、時間遅延統合（TDI）センサーを用いて、可視光と近赤外線（NIR）機能を統合する未来の宇宙天測定ミッション、GaiaNIRを提案する。このミッションは、銀河中心部や渦巻き腕における星間減光を克服し、天測定精度を向上させる。読み出しノイズを低減するため、オンチップで電荷を加算するハイブリッドHgCdTeまたはInGaAs TDI検出器を採用し、深宇宙調査におけるサブミリアーセコンドの精度を実現するとともに、Gaiaの可視光のみの制限を超えた視差および固有運動の測定を可能にする。

ABSTRACT

ESA recently called for new "Science Ideas" to be investigated in terms of feasibility and technological developments -- for technologies not yet sufficiently mature. These ideas may in the future become candidates for M or L class missions within the ESA Science Program. With the launch of Gaia in December 2013, Europe entered a new era of space astrometry following in the footsteps of the very successful Hipparcos mission from the early 1990s. Gaia is the successor to Hipparcos, both of which operated in optical wavelengths, and Gaia is two orders of magnitude more accurate in the five astrometric parameters and is surveying four orders of magnitude more stars in a vast volume of the Milky Way. The combination of the Hipparcos/Tycho-2 catalogues with the first early Gaia data release will give improved proper motions over a long ~25 year baseline. The final Gaia solution will also establish a new optical reference frame by means of quasars, by linking the optical counterparts of radio (VLBI) sources defining the orientation of the reference frame, and by using the zero proper motion of quasars to determine a non-rotating frame. A weakness of Gaia is that it only operates at optical wavelengths. However, much of the Galactic centre and the spiral arm regions, important for certain studies, are obscured by interstellar extinction and this makes it difficult for Gaia to deeply probe. Traditionally, this problem is overcome by switching to the infra-red but this was not possible with Gaia's CCDs. Additionally, to scan the entire sky and make global absolute parallax measurements the spacecraft must have a constant rotation and this requires that the CCDs operate in TDI mode, increasing their complexity.

研究の動機と目的

• 銀河の遮蔽領域を貫通できる、光学および近赤外線（NIR）天測定を併せ持つ将来のGaiaに類似したミッションの開発を目的とする。
• Gaiaの可視光のみの運用による制限を是正する。特に、銀河中心部や渦巻き腕における星間減光の影響を軽減する。
• 低読み出しノイズを有するNIR TDI検出器を統合することで、サブミリアーセコンドの天測定を実現し、高精度な測定を可能にする。
• オンチップでTDI電荷加算を実現するハイブリッドHgCdTe-CMOSまたはInGaAsセンサーの実現可能性を評価する。
• 2つの世代の天測定ミッションのデータ統合により、光学基準フレームの長期的安定性を維持・向上させる。

提案手法

• 400–2000 nmの波長域で動作する光学CCDとNIR TDIセンサーを用いた二波長天測定ミッションを提案する。
• NIR帯域における高い量子効率を有するため、主にHgCdTeまたはInGaAs検出器をNIRセンシング材料として評価する。
• HgCdTe層からシリコンベースのCCDに電荷を転送し、保存および逐次転送することで、オンチップでのTDI電荷加算を実装する。
• TDIチェーンの末端で一度の読み出しを行うことで、読み出しノイズを√n × rから約10 e−にまで低減し、2048ピクセルの走査に対しても実現可能とする。
• 単一NIR検出器焦点面と光学/NIRハイブリッド焦点面の性能を比較し、最適な構成を特定する。
• ESAのマルチアクティビティプログラムおよび最近の技術的進展を活用し、ヨーロッパで既に蓄積されたHgCdTeおよびCMOSベースのTDI開発の専門知識を活用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HgCdTeベースのセンサーにおけるオンチップTDI電荷加算は、NIRでのサブミリアーセコンド天測定を可能にするのに十分な低読み出しノイズレベルを達成できるか？
• RQ2 天測定精度と調査深度を最大化するための、光学およびNIR検出器の最適な組み合わせは何か？
• RQ3 20年間のベースラインでGaiaデータと組み合わせた場合、NIRデータの統合が固有運動および視差測定にどのように寄与するか？
• RQ4 空間天測定用に、高性能で低ノイズのTDIセンサーを2k×2kフォーマットにスケーリングする技術的課題は何か？
• RQ5 TDI機能を有するハイブリッドHgCdTe-CMOSまたはInGaAsセンサーは、将来のGaia後続ミッションの天測定性能要件を満たすことができるか？

主な発見

• チップ外でのTDI加算では、読み出しノイズが著しく高くなる（例：2048ピクセルで約450 e−）、サブミリアーセコンド天測定には不適切である。
• HgCdTe層をシリコンベースのCCDに接続したオンチップ電荷加算により、有効読み出しノイズを約10 e−にまで低減でき、NIR領域でもGaiaに類似した天測定性能を実現可能である。
• 楽観的な1 e−/ピクセルの読み出しノイズであっても、チップ外TDIでは依然として約45 e−の総ノイズが生じ、明るさ20等星の視差誤差が1 masを超える。
• ハイブリッドHgCdTe-CMOSまたはInGaAsセンサーを用いたオンチップTDIは、技術的に実現可能であり、最近のヨーロッパにおける検出器技術の発展にも裏付けられている。
• 光学およびNIR TDIセンサーを搭載したミッションでは、2つの20年間エポックのデータを統合することで、固有運動の精度が14倍向上する。
• Gaiaと将来のGaiaNIRミッションのデータを統合することで、共通の星の観測回数が2倍に増加し、視差および固有運動の精度が顕著に向上する。