[論文レビュー] Theia: Faint objects in motion or the new astrometry frontier

The Theia Collaboration, Céline Bœhm+97 more|Edinburgh Research Explorer|Jul 2, 2017

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 4被引用数 51

ひとこと要約

Theiaはダークマター、近傍の居住可能な系外惑星、コンパクト天体を研究する超精密な宇宙天文測距ミッション（サブマイクロアーク秒）を提案し、オープンオブザベイティング時間を15％、Gaiaレベルの基準系を提供する。

ABSTRACT

In the context of the ESA M5 (medium mission) call we proposed a new satellite mission, Theia, based on relative astrometry and extreme precision to study the motion of very faint objects in the Universe. Theia is primarily designed to study the local dark matter properties, the existence of Earth-like exoplanets in our nearest star systems and the physics of compact objects. Furthermore, about 15 $\%$ of the mission time was dedicated to an open observatory for the wider community to propose complementary science cases. With its unique metrology system and "point and stare" strategy, Theia's precision would have reached the sub micro-arcsecond level. This is about 1000 times better than ESA/Gaia's accuracy for the brightest objects and represents a factor 10-30 improvement for the faintest stars (depending on the exact observational program). In the version submitted to ESA, we proposed an optical (350-1000nm) on-axis TMA telescope. Due to ESA Technology readiness level, the camera's focal plane would have been made of CCD detectors but we anticipated an upgrade with CMOS detectors. Photometric measurements would have been performed during slew time and stabilisation phases needed for reaching the required astrometric precision.

研究の動機と目的

• ダwarf spheroidal galaxiesとMilky Way haloの高精度測距によるダークマターの性質の解明。
• ダークマターのハローの軌道特性とサブハロー摂動を決定するための軌道特性と固有運動の測定。
• 近隣の星々周辺の地球類似惑星を、質量と傾斜角の精密測定を通じて検出・特徴付ける。
• 極端な環境における物質の状態方程式を中性子星・ブラックホールの観測によって制約する。
• 追加の科学ケースを可能にするため、オープンコミュニティプログラムの観測時間を15％提供する。

提案手法

• 0.8 m主鏡、f=32 mの0次元軸上Korsch三鏡像乱（anastigmat）望遠鏡を350–1000 nmで提案する。
• 焦点平面と望遠鏡にメトロロジーシステムを配置し、サブマイクロアーク秒級の相対測距を達成する。
• “point and stare”の差動測距戦略を用い、暗い天体でも前例のない精度を達成する。
• 焦点平面には24検出器（CCDまたはCMOS）を配置し、メトロロジーに基づくピクセル位置をマイクロン/ピクセルレベルで保持する。
• Gaia時代の参照系と背景クエーサーを用いて天測解法と絶対基準系を較正する。
• スリュー・安定化フェーズ中の撮像を最適化して光度測定の精度を高めるよう、観測を計画する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Theiaは矮小球状星団における暗質物質のハローがカスプリかコアドかを正確な固有運動を用いて判定できるか。
• RQ2 Milky Way暗黒物質ハローの外形（多軸性）はどの程度か、超高速星によってこれを制約できるか。
• RQ3 ハロー内の暗黒物質の軌道分布はTheiaが観測するハロー星の軌道から推定できるか。
• RQ4 暗黒物質サブハローが銀河ディスクをどの程度乱し、その乱れをアストロメトリックに検出できるか。
• RQ5 近傍の地球類似惑星の質量と軌道特徴を高精度測距で導き出し、惑星系の真の軌道構成を把握できるか。

主な発見

• Theiaのマイクロアーク秒測距は、星の固有運動を含めることで矮小楕円体星団における核がシャープな cuspy か cored かのダークマター分布を区別可能にする。
• 矮星銀河の星の固有運動は密度プロファイルと軌道異方性のデギュネレーションを解消し、DMの制約を強化する。
• Theiaは超高速星の正確な固有運動を用いてMilky Wayハローの三軸性を約5%の軸比で制約でき、Gaiaを上回る性能を示す。
• Theiaの測定は10^6–10^8太陽質量のダークマターサブハローによるディスク摺動（曲げモード）を可観測によりマッピングできる。
• 本ミッションは近傍の地球類似惑星の質量と軌道傾斜角を測定し、惑星系の真の軌道構成を提供する。
• 観測時の正確なフォトメトリと絶対アストロメトリック参照系を用いたデータは、宇宙距離尺度の確立にも貢献する。