[論文レビュー] Science Yield of an Improved Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST)

M. E. Levi, Alex Kim+2 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2011

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 39被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、遮蔽のない1.3–1.5 mの開口部、同時に2つの画角（0.18"の画像撮影用および0.38–0.45"のスリットレス分光用）を備えた強化された広視野赤外宇宙望遠鏡（WFIRST）設計を提案している。また、収束光にプリズムを配置することで、調査効率を向上させている。本研究では、これらの改善が特に弱い重力レンズおよび系外惑星検出において、調査速度を顕著に向上させることを示しており、JDEM-Omega や欧州宇宙機関（ESA）のEuclidと同等またはそれを上回る性能を発揮する。特に、45°の外側バッフルとアーチレートド太陽パネルを組み合わせた最適化により、その効果が顕著である。

ABSTRACT

The Astronomy and Astrophysics Decadal Survey's highest recommended space mission was a Wide-Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) to efficiently conduct three kinds of studies: dark energy surveys, exoplanet surveys, and guest surveys. In this paper we illustrate four potential WFIRST payloads that accomplish these objectives and that fully utilize optical and technical advances made since the community input to the Decadal Survey. These improvements, developed by our group, are: unobscured 1.3 or 1.5 m apertures; simultaneous dual focal lengths delivering pixel scales of 0.18" for imaging and 0.38" or 0.45" for slitless spectroscopy; the use of a prism in converging light for slitless spectroscopy; and payload features that allow up to 270 days/year observing the Galactic Bulge. These factors combine to allow WFIRST payloads that provide improved survey rates compared to previous mission concepts. In this report we perform direct comparisons of survey speeds for constant survey depth using our optical and exposure-time tools previously developed for JDEM. We further compare these four alternative WFIRST configurations to JDEM-Omega and to the European Space Agency's Euclid mission, and to an alternative Euclid configuration making use of the lessons learned here that delivers performance approaching that of WFIRST. We find that the unobstructed pupil is a major benefit to weak lensing owing to its tighter point spread function, improved signal to noise, and higher resolved galaxy count. Using two simultaneous plate scales in a fully focal system is practical and simplifies the optical train, and the use of a prism in converging light offers improved throughput compared to a grism. We find that a 45 degree outer baffle cutoff angle, combined with fully articulated solar panels and K-band antenna, substantially increase the exoplanet yield. Presented at the 217th AAS conference.

研究の動機と目的

• 暗黒エネルギー、系外惑星、ゲスト観測の各調査において、科学的成果を最大化する最適化されたWFIRSTミッション概念を設計すること。
• 最近の光学的および技術的進歩を活用し、調査効率と性能を向上させること。
• 提案されたWFIRST構成が、JDEM-OmegaおよびEuclidミッションと比較して、調査速度と感度の面でどのように異なるかを直接比較すること。
• 遮蔽のないピラスト、二重画角、バッフル幾何学的形状といった、主な設計要因が弱い重力レンズおよび系外惑星検出に与える影響を定量化すること。
• 45°の外側バッフルカットオフ、アーチレートド太陽パネル、Kバンドアンテナを組み合わせることで、系外惑星の検出数が著しく増加することを示すこと。

提案手法

• 最近の光学技術を活用した4つの代替WFIRSTペイロードを設計：遮蔽のない1.3または1.5 mの開口部、0.18"および0.38–0.45"のピクセルスケールを持つ二重焦点面、収束光に配置されたプリズムによるスリットレス分光。
• JDEMミッションで既に開発済みの光学的および露光時間ツールを応用し、一定の深さで調査速度をモデル化・比較。
• 同時に画像撮影と分光を実行できる完全焦点系を採用することで、光学系を簡素化し、透過率を向上。
• 45°の外側バッフルカットオフ角を導入し、年間最大270日間の銀河中心核領域観測を可能にし、系外惑星検出の機会を増加。
• JDEM-Omegaおよび欧州宇宙機関（ESA）のEuclidミッションを評価対象とし、WFIRST設計の教訓を反映した改訂版Euclid構成も含めて性能を比較。
• 特に弱い重力レンズの観点から、遮蔽のないピラストが、ポイント spread 関数（PSF）の鋭さ、信号対雑音比、分解能のある銀河数に与える影響を定量化。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 遮蔽された設計と比較して、遮蔽のないピラストは弱い重力レンズ性能をどのように向上させるか？
• RQ2 二重の同時画角が、1つの焦点面系において調査効率をどの程度向上させるか？
• RQ3 収束光に配置したプリズムと比較して、グリズムはスリットレス分光における透過率と分光分解能の面でどのように異なるか？
• RQ4 45°の外側バッフルカットオフ角が、実現可能な系外惑星調査の成果に与える影響は？
• RQ5 WFIRST設計の教訓を反映した改訂版Euclid構成は、WFIRSTと同等の性能を達成できるか？

主な発見

• 遮蔽のないピラストは、より鋭いポイント spread 関数（PSF）を生み出し、信号対雑音比を向上させ、分解能のある銀河数を増加させることで、弱い重力レンズ性能を顕著に向上させる。
• 完全焦点系における二重の同時画角は実用的であり、光学系を簡素化するとともに、高透過率の画像撮影と分光を可能にする。
• 収束光に配置したプリズムはグリズムよりも高い透過率を提供し、スリットレス分光の感度を向上させる。
• 45°の外側バッフルカットオフ角に加え、完全にアーチレートド太陽パネルとKバンドアンテナを組み合わせることで、銀河中心核領域の観測期間が年間270日まで延長され、系外惑星の検出数が著しく増加する。
• 最適化されたWFIRST設計は、弱い重力レンズおよび系外惑星調査において、JDEM-OmegaおよびベースラインのEuclidミッションを上回る調査速度と感度を発揮する。
• WFIRST設計の教訓を反映した改訂版Euclid構成は、WFIRSTに近い性能を達成でき、本研究の改善策の広範な影響を示している。