[論文レビュー] Wide-Field InfrarRed Survey Telescope-Astrophysics Focused Telescope Assets WFIRST-AFTA 2015 Report

David N. Spergel, N. Gehrels+53 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2015

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 123被引用数 992

ひとこと要約

この2015年の報告書は、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（DRM）を提示している。これは、ハッブル望遠鏡並みの2.4メートルの望遠鏡を活用し、広範囲の赤外線サーベイを実施する宇宙望遠鏡である。このミッションは、暗黒エネルギー、微小重力レンズを用いた系外惑星の統計的特性、および広視野インストルメントと軸上コロナグラフを備えた直接画像化による系外惑星の研究を通じて、画期的な科学的成果をもたらす。

ABSTRACT

This report describes the 2014 study by the Science Definition Team (SDT) of the Wide-Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) mission. It is a space observatory that will address the most compelling scientific problems in dark energy, exoplanets and general astrophysics using a 2.4-m telescope with a wide-field infrared instrument and an optical coronagraph. The Astro2010 Decadal Survey recommended a Wide Field Infrared Survey Telescope 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 Study 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 telescope assemblies recently made available to NASA. This DRM builds on the work of the earlier WFIRST SDT, reported by Green et al. (2012) and the previous WFIRST-2.4 DRM, reported by Spergel et. (2013). 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 addition of an on-axis coronagraphic instrument to the baseline design enables imaging and spectroscopic studies of planets around nearby stars.

研究の動機と目的

• NASAが最近確保した2.4メートルの望遠鏡に基づいて、WFIRST-AFTAの包括的なミッション設計を開発すること。
• 2010年のAstro2010十年度調査で特定された最優先科学的目標、特に暗黒エネルギー、系外惑星の統計的特性、および一般宇宙物理学を満たすこと。
• 2.4メートルの鏡の高い感度と空間分解能を活用することで、より小さな設計と比較して科学的成果を向上させること。
• 近隣の星の周りの系外惑星の直接画像化と分光測定を可能にするコロナグラフインストルメントを統合すること。
• 保証時間とゲストオブザーバー計画を両立できる、堅牢で多段階のミッションアーキテクチャを確立すること。

提案手法

• 2.4メートルの主鏡を活用し、従来の1.3メートルおよび1.1メートルの設計を上回る高い空間分解能と感度を達成すること。
• 広視野赤外線インストルメント（WFI）を実装し、暗黒エネルギーおよび一般宇宙物理学の研究に適した、広大な天の川領域を高効率でサーベイ可能にする。
• 軸上コロナグラフインストルメントを統合し、近隣の星の周りの系外惑星の直接画像化と分光測定を可能にする。
• 3つのコアプログラムを支援するミッション設計を行うこと：暗黒エネルギー科学、微小重力レンズによる系外惑星サーベイ、一般観測プログラム。
• GFSCのWFIRSTスタディーオフィスおよびJPLのプログラムオフィスから得られる既存のハードウェアおよび工学的設計を活用し、ミッションの実現可能性とコスト効率を確保すること。
• 科学的および技術的継続性を確保するため、2012年のGreenらのレポートおよび2013年のSpergelらのWFIRST-2.4 DRMを含む、先行研究に基づいてDRMを構築すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2.4メートルの望遠鏡は、より小さな口径の設計と比較して、暗黒エネルギー、系外惑星検出、一般宇宙物理学の分野で、どのように科学的成果を最適化できるか？
• RQ2 広視野赤外線インストルメントおよびコロナグラフの最適な構成は何か？ それは、高精度なサーベイおよび直接的な系外惑星画像化を可能にするか？
• RQ3 ミッションアーキテクチャは、保証時間プログラムとゲストオブザーバープログラムの両方を効果的に支援できるか？
• RQ4 広視野サーベイミッションに2.4メートルの望遠鏡を使用する場合の技術的およびコスト上の影響は何か？
• RQ5 コロナグラフの導入は、系外惑星の大気および系の研究におけるミッションの能力をどのように向上させるか？

主な発見

• 2.4メートルの望遠鏡は、従来の1.3メートルおよび1.1メートルの設計と比較して、空間分解能と感度が著しく向上し、すべてのミッションプログラムにおける科学的成果が向上する。
• 広視野赤外線インストルメントにより、弱い重力レンズ効果およびバリオン音響振動を用いた暗黒エネルギーの制約に不可欠な深さと広がりを持つサーベイが可能になる。
• 軸上コロナグラフインストルメントにより、近隣の星の周りの系外惑星の直接画像化と分光測定が可能になり、ミッションの系外惑星科学的能力が拡張される。
• ミッション設計は包括的なゲストオブザーバープログラムを支援しており、コアサーベイを超えた幅広い科学的アクセスを保証する。
• DRMは既存のハードウェアおよび工学的フレームワークを統合しており、技術的リスクを低減し、費用対効果の高い実装を支援する。
• 最終的な設計は、Astro2010十年度調査の最優先推奨事項を満たしており、米国の宇宙物理学における基盤的ミッションとしての位置付けを確立する。