[論文レビュー] SPICA - a large cryogenic infrared space telescope Unveiling the obscured Universe

Peter Roelfsema, H. Shibai+67 more|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2018

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 20

ひとこと要約

SPICAは、機械的冷却器を用いて8 K未満まで冷却される2.5メートルの冷温赤外宇宙望遠鏡を提案しており、中赤外および遠赤外域における前例のない感度と分光分解能を実現する。1時間あたり5σで約5×10⁻²⁰ W/m²の感度を達成し、宇宙の歴史にわたる銀河の進化、ダスト形成、惑星系形成の新しい研究を可能にする。

ABSTRACT

Measurements in the infrared wavelength domain allow us to assess directly the physical state and energy balance of cool matter in space, thus enabling the detailed study of the various processes that govern the formation and early evolution of stars and planetary systems in galaxies over cosmic time. Previous infrared missions, from IRAS to Herschel, have revealed a great deal about the obscured Universe, but sensitivity has been limited because up to now it has not been possible to fly a telescope that is both large and cold. SPICA is a mission concept aimed at taking the next step in mid- and far-infrared observational capability by combining a large and cold telescope with instruments employing state-of-the-art ultra-sensitive detectors. The mission concept foresees a 2.5-meter diameter telescope cooled to below 8 K. With cooling provided by mechanical coolers instead of depending on a limited cryogen supply, the mission lifetime can extend significantly beyond the required three years. SPICA offers instrumentation with spectral resolving powers ranging from R ~50 through 11000 in the 17-230 $\mu$m domain as well as R~28.000 spectroscopy between 12 and 18 $\mu$m. Additionally SPICA will provide efficient 30-37 $\mu$m broad band mapping, and polarimetric imaging in the 100-350 $\mu$m range. SPICA will provide unprecedented spectroscopic sensitivity of ~5 x $10^{-20}$ W/m$^2$ (5$\sigma$/1hr) - at least two orders of magnitude improvement over what has been attained to date. With this exceptional leap in performance, new domains in infrared astronomy will become accessible, allowing us, for example, to unravel definitively galaxy evolution and metal production over cosmic time, to study dust formation and evolution from very early epochs onwards, and to trace the formation history of planetary systems.

研究の動機と目的

• 過去の赤外宇宙望遠鏡の感度制限を克服するため、大口径で冷温化された望遠鏡を運用すること。
• 星や惑星系の形成といった、冷却され遮蔽された天体物理学的プロセスの詳細な研究を可能にすること。
• 限られた冷却剤に依存せず、機械的冷却器を用いることで、3年を超えるミッションライフを実現すること。
• 17–230 µmの波長域で分光分解能R ~50からR ~11,000まで、12–18 µmの窓ではR ~28,000までを達成すること。
• 30–37 µmのバンド幅マッピングと100–350 µmの偏光イメージングを統合し、天体物理学的診断の向上を図ること。

提案手法

• 機械的冷却器を用いて2.5メートルの口径を持つ望遠鏡を8 K未満まで能動的に冷却し、長期にわたる冷温運用を確保すること。
• 中赤外および遠赤外域での感度を最大化するため、最先端の超高感度赤外検出器を搭載すること。
• 17–230 µmの波長域で、分光分解能R ~11,000までを実現する高分解能分光計測を実装すること。また、12–18 µmの波長域ではR ~28,000までを達成すること。
• 30–37 µmの効率的なバンド幅マッピングを実現し、広範囲の天の川領域を高感度でスキャン可能とすること。
• 100–350 µmの波長域で偏光イメージング機能を統合し、星形成領域における磁場構造とダスト配列の調査を可能とすること。
• 分光感度を約5×10⁻²⁰ W/m²（5σ/1時間）まで向上させ、過去のミッション比で2桁の感度向上を達成すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中赤外および遠赤外観測における著しい感度向上を達成するには、どのようにすればよいか？ これは遮蔽された天体物理学的プロセスを研究するためである。
• RQ2 初期の銀河および星形成領域における冷却物質の物理的状態とエネルギー収支は、どのようにして特定できるか？
• RQ3 ダストの形成と進化は、最初の宇宙時代から現在に至るまで、どのように進行するのであろうか？
• RQ4 赤外線の放射および吸収をトレースすることで、惑星系の詳細な形成歴史はどのように特定できるか？
• RQ5 限られた冷却剤に依存せず、長期にわたって安定した冷温運用を宇宙空間で実現するには、どのような方法があるか？

主な発見

• SPICAは、分光感度を約5×10⁻²⁰ W/m²（5σ/1時間）まで達成し、過去の赤外宇宙ミッション比で少なくとも2桁の感度向上を実現している。
• 17–230 µmの波長域でR ~11,000の分光分解能を達成し、冷却された星間媒体における分子および原子線の詳細な研究が可能になった。
• 12–18 µmの波長域でR ~28,000の高分解能分光計測により、進化した星や活動銀河核におけるイオン化ガスおよびショックガスの精密な診断が可能となった。
• 30–37 µmの効率的なバンド幅マッピングにより、星形成領域および銀河集団の深さと広がりをカバーする大規模スカウトが可能となった。
• 100–350 µmの波長域における偏光イメージングにより、高密度分子雲および原始星環境における磁場構造のマッピングが可能となった。
• 冷却剤に依存せず機械的冷却器を用いることで、必要な3年をはるかに超えるミッションライフが実現され、長期にわたる科学運用が保証された。