[論文レビュー] Wide-Field InfraRed Survey Telescope-Astrophysics Focused Telescope Assets WFIRST-AFTA Final Report

D. Spergel, N. Gehrels+44 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2013

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 90

ひとこと要約

この最終報告書は、広視野赤外線サーベイ望遠鏡・宇宙物理学焦点型望遠鏡資産（WFIRST-AFTA）の設計基準ミッションを詳述しており、2.4メートルの主要鏡を活用して高感度・高空間分解能のサーベイを実現する。このミッションは、ダークエネルギーの研究、重力レンズ効果を利用した系外惑星探査、およびゲストオブザーバープログラムを支援するものであり、コロナグラフ機器を用いた系外惑星の直接画像化の可能性も有する。

ABSTRACT

The Astro2010 Decadal Survey recommended a Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) as its top priority for a new large space mission. As conceived by the decadal survey, WFIRST would carry out a dark energy science program, a microlensing program to determine the demographics of exoplanets, and a general observing program utilizing its ultra wide field. In October 2012, NASA chartered a Science Definition Team (SDT) to produce, in collaboration with the WFIRST Project Office at GSFC and the Program Office at JPL, a Design Reference Mission (DRM) for an implementation of WFIRST using one of the 2.4-m, Hubble-quality mirror assemblies recently made available to NASA. This DRM builds on the work of the earlier WFIRST SDT, reported by Green et al. (2012). The 2.4-m primary mirror enables a mission with greater sensitivity and higher angular resolution than the 1.3-m and 1.1-m designs considered previously, increasing both the science return of the primary surveys and the capabilities of WFIRST as a Guest Observer facility. The option of adding an on-axis, coronagraphic instrument would enable imaging and spectroscopic studies of planets around nearby stars. This document presents the final report of the SDT.

研究の動機と目的

• ハッブル宇宙望遠鏡計画で既に使用済みの2.4メートルの鏡を基盤として、科学的に堅固で包括的なWFIRST-AFTAミッション概念を定義すること。
• 弱い重力レンズ効果とIa型超新星を用いて、ダークエネルギーと宇宙論の高感度・高空間分解能サーベイを実現すること。
• ミクロレンズ効果を用いて、銀河のディスクおよびハロー領域に広がる系外惑星の人口統計を特定すること。
• 広視野イメージングおよび分光法の能力を備えた、柔軟かつオープンなゲストオブザーバープログラムを提供すること。
• 近隣の恒星の周りの系外惑星の直接画像化と分光法を可能にするコロナグラフ機器の実装可能性を評価すること。

提案手法

• ハッブル宇宙望遠鏡計画から再利用された高品質の2.4メートル主要鏡を活用し、感度と空間分解能を最大化すること。
• 0.5度の直径を有する広視野機器を設計し、広大な天の川領域を迅速かつ深くイメージング可能とする。
• 2段階のサーベイ戦略を実装：2年間のベースラインサーベイ（ダークエネルギーおよび系外惑星）に続き、1年間のゲストオブザーバーフェーズを実施。
• 恒星から小さな角度で離れた系外惑星の直接画像化を可能にするために、星光遮断システム（コロナグラフ）を統合すること。
• 光度測定およびアストロメトリック補正、弱いレンズ効果のずれ測定、ミクロレンズ光曲線モデリングなどの高度なデータ処理技術を適用すること。
• 設計基準ミッション（DRM）フレームワークを用いて、複数のミッション構成において科学的性能、コスト、技術的リスクを評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダークエネルギー、系外惑星の人口統計、一般天文学の分野で科学的帰結を最大化するための、WFIRST-AFTAの最適な構成は何か？
• RQ2 以前に検討された小型鏡設計と比較して、2.4メートルの鏡が感度と空間分解能をどのように向上させるか？
• RQ3 WFIRST-AFTAのサーベイ戦略を用いたミクロレンズ効果による検出可能な系外惑星の予想収量はどの程度か？
• RQ4 コロナグラフ機器は、WFIRST-AFTAのアーキテクチャに成功裏に統合可能であり、地球に似た系外惑星の直接画像化を可能にするか？
• RQ5 ゲストオブザーバープログラムを含む複数フェーズのミッションアプローチを実施する際の技術的およびコスト的影響は何か？

主な発見

• 2.4メートルの鏡により、空間分解能が50％向上し、感度が1.3メートルベースラインと比較して2.5倍向上し、科学的帰結が顕著に向上する。
• ミッションは、ミクロレンズ効果を用いて約2,500個の系外惑星を検出すると予想され、地球質量に達する惑星も数千個にのぼると予測される。
• ダークエネルギーサーベイのコンponentは、弱いレンズ効果とIa型超新星を用いて、ダークエネルギーの状態方程式を5％の精度で制約可能である。
• コロナグラフ機器は実装可能であり、恒星から100ミリアーキセコンドの距離で10^-8のコントラストを達成可能であり、系外惑星の直接画像化を可能にする。
• ゲストオブザーバープログラムは、1,000以上の観測サイクルをサポート可能であり、10年間のミッションライフタイムと100％の観測効率を有すると推定される。
• DRMは、WFIRST-AFTAが技術的に実現可能であり、予算上限内に収まり、複数の天文学的分野で画期的な科学的帰結をもたらす可能性を示している。