[論文レビュー] The Submillimeter Frontier: A Space Science Imperative

John C. Mather, S. H. Moseley+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 28, 1998

Superconducting and THz Device Technology参考文献 2被引用数 16

ひとこと要約

本論文は、初期宇宙におけるダストに包まれた星形成を観測する高分解能画像化および分光法を備えた宇宙機関型遠赤外線／サブミリ波長干渉計であるSubmillimeter Probe of the Evolution of Cosmic Structure（SPECS）を提案する。原始星形成銀河からの主要なサブミリ波長放射を検出することで、SPECSは構造形成、核合成、フィードバック過程の直接的調査を可能にし、隠れたスターバースト銀河の同定や宇宙の星形成歴への制約といった重要な結果をもたらす。

ABSTRACT

A major goal of modern astrophysics is to understand the processes by which the universe evolved from its initial simplicity, as seen in measurements of the Cosmic Microwave Background, to the universe we see today, with complexity on all scales. While the diffuse background measurements of COBE reveal the importance of the far infrared and submillimeter in early galaxy and star formation, the understanding of the development of complex structure requires high resolution imaging and spectroscopy. We present a concept for a space mission called SPECS, the Submillimeter Probe of the Evolution of Cosmic Structure, which provides these capabilities. SPECS is a cold, spatial and spectral Michelson interferometer with adjustable baselines ranging up to 1 km. It has Hubble sensitivity and angular resolution in the far IR and submillimeter, spectral resolution up to 10,000, and a 14' field of view. SPECS will be able to image thermal dust continuum and infrared cooling and diagnostic line emission over a wide range of redshifts, providing extinction-free astrophysical probes of young galaxies and early cosmic structures, and measures of the luminosity and heavy element formation history of the universe. SPECS would also have the potential to improve vastly our knowledge of protostars, protoplanetary systems, Active Galactic Nuclei and other objects in the local universe. We recommend that a concerted effort be made during the next decade to develop and test certain critical technologies (photon-counting far IR detectors, formation flying spacecraft, cold, lightweight mirrors, and active coolers), so that SPECS can be deployed in about 2015.

研究の動機と目的

• 宇宙の複雑な構造が、宇宙マイクロ波背景で観測された原始的な密度揺らぎからどのように進化したかを理解するという根本的なギャップを埋めるため。
• 光学的および近赤外線サーベイの限界を克服し、ダストによる消光のため、初期銀河および星形成の間で放出されるエネルギーの大部分が見逃される問題を解消するため。
• 構造形成の時代における遠赤外線およびサブミリ波長放射の高感度・高分解能観測を可能にするため。この時代に、大部分の光度および核合成が発生した。
• 特に光学サーベイで遮蔽されている銀河の物理的状態、形状、赤方偏移を明確に特定する観測的根拠を提供するため。
• 今後10年間で検出器システム、冷却光学、フォーメーション・フライ技術を発展させることで、将来の宇宙機関型干渉計の技術的基盤を築くため。

提案手法

• 遠赤外線およびサブミリ波長（30–650 µm）で動作する宇宙機関型干渉計を用い、ハッブル宇宙望遠鏡並みの分解能を達成する。
• 背景限界の光子カウント検出器（例：超伝導トンネル接合センサ（TES）や超伝導接合）を採用し、高感度および低ノイズを実現する。
• オンチップマルチプレクシング読み出し回路および統合回路を導入し、大規模な検出器アレイによる効率的なデータ取得を可能にする。
• 分散型分光計を用いて同時にスペクトル分解能を達成し、イオン化原子、分子、ダストの赤方偏移の決定およびライン診断を可能にする。
• 10年間の技術開発フェーズにおいて、検出器、冷却器、フォーメーション・フライ技術のテストを含む先行ミッションを通じて技術開発を推進する。
• 高度な冷却光学系および軽量ミラー設計を統合し、高安定性および高感度を実現する大口径干渉計を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光学サーベイで検出されないダストに包まれた高赤方偏移スターバースト銀河が、宇宙赤外背景の何パーセントを占めているのか。
• RQ2 最初の星や銀河は原始的な密度揺らぎからどのように形成されたのか。また、核合成の開始と重元素による宇宙の豊度向上に果たした役割は何か。
• RQ3 第III族星からのフィードバック過程が、その後の星や銀河の形成および進化にどの程度影響を与えたのか。
• RQ4 ダストに包まれた初期銀河の領域内における物理的状態（例：温度、密度、金属量）は何か。また、異なる環境間でどのように変化するのか。
• RQ5 高分解能サブミリ波長干渉計は、初期銀河の形状および運動を解像可能か。そのような解像により、銀河の集積および進化を駆動するプロセスが明らかになるか。

主な発見

• 観測結果は、初期宇宙における光度の最大80％が、主にダストに包まれた星形成領域から遠赤外線およびサブミリ波長で放出されている可能性を示唆している。
• 光学的にかすみ、高赤方偏移のスターバーストを経験している銀河が、COBEのFIRASおよびDIRBE機器で測定された宇宙赤外背景の最大50％を占めている可能性がある。
• 初期宇宙における星形成率は、赤方偏移z ~ 1.5でピークに達しており、現在の宇宙よりも約10倍高い率であったと推定される。これは背景測定および深さフィールドのサブミリ波長サーベイから導かれた結果である。
• ダストによる消光は、宇宙論的サーベイにおける主要な系誤差要因であるため、遮蔽された天体物理学的プロセスにアクセスするための直接的なサブミリ波長観測の必要性が強調される。
• 背景限界の光子カウント検出器（例：TESボロメーターや超伝導接合）の開発により、SPECSのような宇宙機関型干渉計が今後15年以内に技術的に実現可能になる。
• 同様の技術を備えた先行ミッションは、SPECSミッションの完全な運用開始以前に、混乱限界の全天サーベイやR ~ 10^3の深さ分光サーベイといった貴重な科学的データを提供できる可能性がある。