[論文レビュー] Origins Space Telescope: From First Light to Life -- ESA Voyage 2050 White Paper

Martina Wiedner, S. Aalto+25 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 16被引用数 4

ひとこと要約

Origins Space Telescope（Origins）は、最初の発光天体から生命の出現に至るまでの宇宙の起源を探るための計画中の宇宙望遠鏡である。中〜遠赤外域（2.8–588 µm）で運用され、冷温化された9.2 mの主鏡と高度な機器を活用することで、過去のミッション比で1000倍以上の感度向上を実現し、銀河の進化、惑星形成、M型矮星周囲の生命可能性に関する画期的な研究を可能にする。

ABSTRACT

The Origins Space Telescope (Origins) is one of four science and technology definition studies selected by National Aeronautics and Space Administration (NASA) in preparation of the 2020 Astronomy and Astrophysics Decadal survey in the US. Origins will trace the history of our origins from the time dust and heavy elements permanently altered the cosmic landscape to present-day life. It is designed to answer three major science questions: How do galaxies form stars, make metals, and grow their central supermassive black holes from reionization? How do the conditions for habitability develop during the process of planet formation? Do planets orbiting M-dwarf stars support life? Origins operates at mid- to far-infrared wavelengths from ~2.8 to 588 μm, is more than 1000 times more sensitive than prior far-IR missions due to its cold (~4.5 K) aperture and state-of-the-art instruments.

研究の動機と目的

• 再電離から現在に至るまでの銀河の進化を、星形成、金属生成、超大質量ブラックホールの成長に焦点を当てて追跡すること。
• 惑星系形成と生命可能性に至る物理的・化学的条件を理解すること。
• M型矮星を公転する惑星が、液体水や複雑な有機化合物を有する可能性を踏まえ、生命を支持できるかどうかを調査すること。
• 宇宙時間にわたる宇宙間ほこり、重元素、および銀河間媒体の起源に関する根本的な問いに答えること。
• 冷たい・ほこりくずの天体現象を研究するにあたり、前例のない感度と分解能を備えた、包括的で多波長の赤外線天の川スカイマップを提供すること。

提案手法

• 遠赤外域での高感度観測を可能にするために、4.5 Kに冷却された大型冷温主鏡（9.2 m径）を用い、熱的背景を最小限に抑える。
• MISC、TIGRE、LEM、FTSの4つの最先端機器を搭載し、2.8–588 µmの波長域でそれぞれ特化したスペクトルおよび光度観測を実施する。
• 地球の大気の影響を受けない、低背景の宇宙ベースのプラットフォームを採用し、中〜遠赤外域の全範囲を観測可能にする。
• 深さと広がりを兼ね備えたスカイスキャンと、高赤方偏移銀河、原始星、系外惑星系といった重要な天体源への標的観測を実施する。
• 高分解能分光法を用いて、分子線および原子線を追跡し、ガスの運動・化学組成・ダスト特性に関する詳細な研究を可能にする。
• 高度な検出器技術と低ノイズ読み出しシステムを活用し、Herschelなどの過去の遠赤外線ミッション比で1000倍以上の感度向上を達成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 再電離から現在に至るまでの銀河の星形成、金属生成、超大質量ブラックホールの成長の歴史は、どのように変化してきたのであろうか？
• RQ2 惑星形成の過程で、生命可能性に至る物理的・化学的条件はどのように発達するのであろうか？
• RQ3 M型矮星を公転する惑星は、生命を支持できる可能性があるのか。また、その大気的・地表的条件は、生命を維持するのに適しているのか？
• RQ4 最初のほこりと重元素は、どのように宇宙間媒体を変化させ、銀河の進化を形作ったのであろうか？
• RQ5 冷たい分子ガスとダストは、宇宙時間にわたる星形成の制御に果たす役割は何か？

主な発見

• Origins Space Telescopeは、冷温化された9.2 m主鏡のおかげで、Herschelなどの過去のミッション比で遠赤外域で1000倍以上の感度向上を実現する設計である。
• このミッションは、2.8–588 µmの波長域で、高赤方偏移銀河から近隣の原始星に至る広範な天体源をカバーする深さのあるスカイスキャンを可能にする。
• FTS機器による高分解能分光法により、水、CO、有機分子などの主要な分子線・原子線を、宇宙時間にわたって検出可能となる。
• ミッションは、z ~ 10までの銀河の星形成歴史を解明し、再電離の時代と初期の金属増加のプロセスに関する新たな知見を提供すると予想される。
• M型矮星周囲の惑星系形成円盤や惑星の大気を観測することで、生命可能性の有無とバイオシグネチャ分子の存在を評価できる。
• 広視野イメージングと高スペクトル分解能観測の組み合わせにより、銀河的・銀河外的領域にわたり、ダストおよびガスの前例のないマッピングが可能となる。