[論文レビュー] Opportunities for Astrophysical Science from the Inner and Outer Solar System

M. Zemcov, I. Arcavi+23 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2019

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 62被引用数 4

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、地球の軌道を越えた天体物理学的科学ミッションを提唱し、太陽系の内惑星と外惑星の領域が、銀河間背景光、惑星間宇宙ダストの形態、重力レンズ効果による微小レンズ効果を研究するための独自の観測ポイントを提供すると主張している。遠方の太陽系ミッションに天体物理学に最適化された機器を搭載することで、研究者は類稀な感度、時間的安定性、そしてダスト雲の三次元トモグラフィックマッピングを実現でき、宇宙構造、惑星形成、および基礎物理学に関する画期的な知見を得られる。

ABSTRACT

Astrophysical measurements away from the 1 AU orbit of Earth can enable several astrophysical science cases that are challenging or impossible to perform from Earthbound platforms, including: building a detailed understanding of the extragalactic background light throughout the electromagnetic spectrum; measurements of the properties of dust and ice in the inner and outer solar system; determinations of the mass of planets and stellar remnants far from luminous stars using gravitational microlensing; and stable time-domain astronomy. Though potentially transformative for astrophysics, opportunities to fly instrumentation capable of these measurements are rare, and a mission to the distant solar system that includes instrumentation expressly designed to perform astrophysical science, or even one primarily for a different purpose but capable of precise astronomical investigation, has not yet been flown. In this White Paper, we describe the science motivations for this kind of measurement, and advocate for future flight opportunities that permit intersectional collaboration and cooperation to make these science investigations a reality.

研究の動機と目的

• 地球の軌道を越えた領域からの天体物理学的測定が不足している現状に対処する。地球からの観測は、太陽周囲のダストによる前景の影響を受けるため、1 AUを超えた領域での観測が制限されている。
• パイオニア10号以降、10年に3.5件という極めて少ない深宇宙天体物理学データの不足を解消するため、専用の機器を導入することを提唱する。
• 外太陽系の静穏で背景雑音の少ない環境に機器を配置することで、高感度で時間的安定性の高い時間領域天文学を実現する。
• 異なる太陽軌道からの複数点観測を用いて、惑星間ダスト雲の三次元トモグラフィックマップを構築する。
• 40 AU以上の太陽系距離から地球を系外惑星として観測するシミュレーションを通じて、生命的な世界の特徴を特定するモデルを検証する。

提案手法

• 内惑星および外惑星の複数の観測ポイントを活用し、複数の波長および視線方向から惑星間ダスト（IPD）の明るさを測定する。
• トモグラフィー逆問題の手法を適用し、複数方向からのIPD観測データを統合して、ダスト雲の空間的分布および光学的性質の3次元再構築を行う。
• 遠方の太陽系地点から検出された重力レンズ効果の微小レンズイベントを活用し、明るさとは無関係に惑星および恒星の残骸の質量を測定する。
• 既存または計画中の深宇宙ミッション（例：ニューホライズンズ、インターステラープローブ）に天体物理学用機器を統合し、時間領域および光度測定の調査を可能にする。
• 40 AU以上離れた地点からの分光観測を活用し、地球型系外惑星の観測（地球の光の反射や直接像の撮影を含む）を模擬することで、モデルの妥当性を検証する。
• 地球からの観測、近地球軌道、および深宇宙プラットフォームからのデータを統合し、前景ダスト寄与を分離し、銀河間背景光（EBL）のモデリングを改善する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる太陽系領域からの複数点・複数波長観測を活用することで、どのように惑星間ダスト雲の三次元トモグラフィック再構築が可能になるか？
• RQ2 遠方の太陽系観測は、エッジワース＝カイパー帯およびオールト・オーブから発生するダストの組成、構造、動的特性にどのような制約を課えるか？
• RQ3 1 AUを超えた領域からの天体物理学的測定は、銀河間背景光（EBL）の理解をどのように向上させ、銀河の進化および宇宙論にどのような影響を及えるか？
• RQ4 深宇宙から観測された重力レンズ効果の微小レンズイベントは、どのようにして暗黒惑星や低明るさの恒星残骸のような対象の質量を、明るさとは独立に測定可能にするか？
• RQ5 40 AU以上の距離から地球を観測することは、地球型系外惑星の検出および特徴の特定のモデルを検証するための、唯一の既知の実地基準としての役割を果たすか？

主な発見

• 1 AUを超えた領域からの観測は、太陽周囲ダストの明るい前景を低減でき、天体物理学的測定における感度と時間的安定性を顕著に向上させる。
• 異なる太陽軌道からの複数点観測により、惑星間ダスト雲のトモグラフィックマッピングが可能となり、その三次元的構造と動的特性が明らかになる。
• 遠方の観測ポイントから得られた重力レンズ効果の微小レンズイベントを活用することで、明るさとは無関係に惑星および恒星の残骸の質量を測定可能となる。
• 40 AU以上の距離から地球を観測することは、系外惑星観測の類似体として、唯一の既知の実地基準的データを提供し、リトリーブモデルの妥当性を検証可能にする。
• 現在の深宇宙天体物理学的科学の進捗は極めて低く、パイオニア10号以降10年に3.5件という非常に低いレートであるため、大きな未達成の機会が存在する。
• ニューホライズンズのような深宇宙ミッションに搭載された機器は、天体物理学的科学の目的に再利用可能であり、画期的な発見を実現するコスト効果の高い道筋を提供する。