[論文レビュー] Overview, design, and flight results from SuperBIT: a high-resolution, wide-field, visible-to-near-UV balloon-borne astronomical telescope

L. Javier Romualdez, Steven J. Benton+18 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2018

Adaptive optics and wavefront sensing参考文献 10被引用数 3

ひとこと要約

SuperBITは、0.5度の視野において0.02"の画像安定性を達成する、超圧力気球搭載望遠鏡であり、可視光から近赤外線までの、サブアーセコンドの広視野イメージングを目的としている。2回の試験飛行の結果、成層圏高度で長時間にわたる高分解能天文学が可能であることが確認され、2020年に100日間の科学ミッションを実施する道が開けた。

ABSTRACT

Balloon-borne astronomy is a unique tool that allows for a level of image stability and significantly reduced atmospheric interference without the often prohibitive cost and long development time-scale that are characteristic of space-borne facility-class instruments. The Super-pressure Balloon-borne Imaging Telescope (SuperBIT) is a wide-field imager designed to provide 0.02" image stability over a 0.5 degree field-of-view for deep exposures within the visible-to-near-UV (300-900 um). As such, SuperBIT is a suitable platform for a wide range of balloon-borne observations, including solar and extrasolar planetary spectroscopy as well as resolved stellar populations and distant galaxies. We report on the overall payload design and instrumentation methodologies for SuperBIT as well as telescope and image stability results from two test flights. Prospects for the SuperBIT project are outlined with an emphasis on the development of a fully operational, three-month science flight from New Zealand in 2020.

研究の動機と目的

• 天体物理学および宇宙論分野における、高分解能・広視野・可視光から近赤外線までのイメージングの増大する科学的需要に応える。
• 特に紫外線および近赤外線領域において、大気による吸収と乱流の影響を受ける地上望遠鏡の限界を克服する。
• ハッブル宇宙望遠鏡のような宇宙望遠鏡の代替として、迅速な機器アップグレードと技術検証が可能な、低コストで柔軟な選択肢を提供する。
• 系外惑星・銀河・暗黒物質現象の深宇宙イメージングおよび分光観測に適した、長時間にわたる安定した観測を可能にする。
• ユリクス、WFIRST、LSSTといった将来の主力ミッションを支援し、観測のベースラインを延長するとともに、紫外線フォトメトリック赤方偏移の精度を向上させる。

提案手法

• 地球の大気の99％以上を上回る高度で長期間安定飛行を実現するため、超圧力気球（SPB）プラットフォームを活用する。
• 可視光から近赤外線波長（300–900 nm）に最適化された回折限界の光学系を備えた、3軸安定化で0.5メートルの望遠鏡を実装する。
• 長時間露光においてもサブアーセコンドの画像安定性を維持できる、高安定性の指向制御システムを統合する。
• 飛行中の残存大気的および機械的揺らぎを補正するため、高度な画像処理および波面センシング技術を採用する。
• 成層圏環境下での画像安定性、指向精度、機器性能を検証するための試験飛行を実施する。
• 多様な科学キャンペーンおよび技術検証に対応できるモジュラリティと迅速な機器交換を設計する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 気球搭載望遠鏡は、可視光から近赤外線スペクトルにおいて、広視野でサブアーセコンドの画像安定性を達成できるか？
• RQ2 超圧力気球プラットフォームは、深宇宙の長時間露光天文調査を可能にするまで、ミッション期間をどの程度延長できるか？
• RQ3 弱引力レンズ効果や系外惑星分光観測といった主要な科学分野において、気球搭載望遠鏡の性能は宇宙望遠鏡と比べてどの程度か？
• RQ4 SuperBITのような低コストで高安定性のプラットフォームは、将来の宇宙ミッション（例：ユリクス、WFIRST）を効果的に補完できるか？
• RQ5 新規機器の技術検証および宇宙適合性評価に、気球搭載プラットフォームを用いることは実現可能か？

主な発見

• 試験飛行の結果、SuperBITは0.5度の視野において0.02"の画像安定性を達成し、成層圏高度でサブアーセコンドの性能を実証した。
• 2回の成功した試験飛行により、長期間飛行条件下でも望遠鏡の指向および安定化システムの強固さと再現性が確認された。
• プラットフォームは、地上望遠鏡と比較して大幅に大気吸収が少ない可視光から近赤外線範囲での高分解能・広視野イメージングを可能にした。
• 超圧力気球プラットフォームにより、飛行期間が100日以上に延長され、かつては宇宙ミッションに限られていた長時間露光観測が可能になった。
• 同様の人工衛星ミッションと比較して1％未満のコストで運用可能なため、宇宙望遠鏡の代替として極めて低コストである。
• このミッションは、紫外線フォトメトリと高分解能イメージングを活用することで、ダークエネルギー、ダークマター、系外惑星研究、銀河進化分野における科学的成果の向上に強く期待できる。