[論文レビュー] Probing the Invisible Universe: The Case for Far-IR/Submillimeter Interferometry

David Leisawitz, T. P. Armstrong+26 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2002

Superconducting and THz Device Technology被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、宇宙の冷たいほこりやガスの成分を高感度・高分解能で観測可能にするために、宇宙空間に配置された遠赤外線/サブミリ波長干渉計の導入を提唱している。2010–2020年の時代におけるミッション概念と技術的要件を提示し、この波長域が銀河、星、惑星の形成を解明する上で極めて重要な役割を果たすことを強調している。

ABSTRACT

The question "How did we get here and what will the future bring?" captures the human imagination and the attention of the National Academy of Science's Astronomy and Astrophysics Survey Commitee (AASC). Fulfillment of this "fundamental goal" requires astronomers to have sensitive, high angular and spectral resolution observations in the far-infrared/submillimeter (far-IR/sub-mm) spectral region. With half the luminosity of the universe and vital information about galaxy, star and planet formation, observations in this spectral region require capabilities similar to those currently available or planned at shorter wavelengths. In this paper we summarize the scientific motivation, some mission concepts and technology requirements for far-IR/sub-mm space interferometers that can be developed in the 2010-2020 timeframe.

研究の動機と目的

• 遠赤外線/サブミリ波長帯を観測することで、宇宙の進化の歴史とその将来に関する根本的な科学的問いに答えること。
• 宇宙の総発光の半分が放出される遠赤外線/サブミリ波長帯に干渉計技術を導入し、現在の観測機器の限界を克服すること。
• 星形成領域、銀河、原始惑星系円盤の冷たいほこり構造を研究するために不可欠な高分解能・高スペクトル分解能観測を可能にすること。
• 2010–2020年のタイムスケールにおける将来的な宇宙干渉計の技術的基盤とミッション設計を確立すること。
• 米国科学アカデミーの天文学・宇宙物理学調査委員会の目標、すなわち宇宙の進化を包括的に理解することを支援すること。

提案手法

• 30–650 µmの波長域で動作する宇宙ベースの干渉計を提案し、回折限界の分解能と高感度を達成すること。
• 複数の自由飛行型望遠鏡を編隊で飛行させ、高分解能のアンテナ合成画像を合成すること。
• 熱雑音を低減し、冷たい微弱な天体の観測を可能にするために、高度な冷却光学系と検出器を統合すること。
• SIRTF、ハッブル宇宙望遠鏡、SIRTFの既存技術を活用し、機器設計とシステムアーキテクチャの指針とする。
• コherentビーム合成や異常周波数検出などの干渉計技術を採用し、高スペクトル分解能を実現すること。
• 高赤方偏移銀河や原始星系系といった主要な天体を対象に、感度と分解能要件をもとにミッション性能をモデル化すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 冷たいほこりとガスが銀河・星・惑星系の形成に果たす役割とは何か。高分解能観測によりどのように観測可能か。
• RQ2 遠赤外線/サブミリ波長干渉計は、高赤方偏移銀河の構造をどのように解明し、宇宙時間にわたる進化を追跡できるか。
• RQ3 「見えない」宇宙を調査するために必要な感度と分解能を達成するための、技術的およびミッション設計上の革新とは何か。
• RQ4 温度・密度・ほこりの組成といった星形成領域の物理的状態が、遠赤外線/サブミリ波長の放射に与える影響は何か。干渉計はどのような情報を明らかにするか。
• RQ5 2010–2020年のタイムスケールで科学的成果を最大化するための、宇宙干渉計の最適な構成と観測戦略は何か。

主な発見

• 遠赤外線/サブミリ波長帯には、宇宙全体の総発光の約半分が含まれており、宇宙のエネルギー出力と構造形成の理解に不可欠である。
• この波長帯での高分解能観測は、長波長帯では解像できない高赤方偏移銀河や原始星系の物理的構造を解明するために不可欠である。
• 宇宙での干渉計技術により、サブミリ波長帯で0.01秒以下という優れた分解能が達成可能であり、冷たいほこり放射や分子線特徴の詳細な研究が可能になる。
• 冷却光学、波面センシング、編隊飛行技術の開発は実現可能であり、2010–2020年のタイムスケールでのミッション実現に優先的に取り組むべきである。
• 遠赤外線/サブミリ波長干渉計の科学的成果は、星・惑星形成、銀河進化、宇宙赤外線背景の理解を顕著に進展させる。
• Far-Infrared Surveyor (FIS) や Space Infrared Interferometric Telescope (SIIT) といったミッション概念が、これらの目標を達成するための実現可能な道筋として特定された。