[논문 리뷰] Science Yield of an Improved Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST)

M. E. Levi, Alex Kim외 2명|arXiv (Cornell University)|2011. 05. 04.

Astronomy and Astrophysical Research참고 문헌 39인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 약 1.3–1.5 m의 비차폐된 개구부를 갖춘 개선된 광역 적외선 탐사 망원경(WFIRST) 설계를 제안한다. 이 설계는 영상용 0.18" 및 슬릿리스 분광학용 0.38–0.45"의 이중 동시 플레이트 스케일을 포함하며, 수렴하는 빛에서 프리즘을 사용해 설문 효율을 향상시킨다. 이는 약한 렌즈 효과 및 외계행성 탐지에 특히 유리하며, JDEM-Omega와 같은 이전의 개념보다 뛰어나고, 45° 외부 빔스탑과 유연한 태양전지 패널을 최적화한 경우 유럽우주국(Euclid)의 성능을 뛰어나거나 맞추는 데 성공한다.

ABSTRACT

The Astronomy and Astrophysics Decadal Survey's highest recommended space mission was a Wide-Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) to efficiently conduct three kinds of studies: dark energy surveys, exoplanet surveys, and guest surveys. In this paper we illustrate four potential WFIRST payloads that accomplish these objectives and that fully utilize optical and technical advances made since the community input to the Decadal Survey. These improvements, developed by our group, are: unobscured 1.3 or 1.5 m apertures; simultaneous dual focal lengths delivering pixel scales of 0.18" for imaging and 0.38" or 0.45" for slitless spectroscopy; the use of a prism in converging light for slitless spectroscopy; and payload features that allow up to 270 days/year observing the Galactic Bulge. These factors combine to allow WFIRST payloads that provide improved survey rates compared to previous mission concepts. In this report we perform direct comparisons of survey speeds for constant survey depth using our optical and exposure-time tools previously developed for JDEM. We further compare these four alternative WFIRST configurations to JDEM-Omega and to the European Space Agency's Euclid mission, and to an alternative Euclid configuration making use of the lessons learned here that delivers performance approaching that of WFIRST. We find that the unobstructed pupil is a major benefit to weak lensing owing to its tighter point spread function, improved signal to noise, and higher resolved galaxy count. Using two simultaneous plate scales in a fully focal system is practical and simplifies the optical train, and the use of a prism in converging light offers improved throughput compared to a grism. We find that a 45 degree outer baffle cutoff angle, combined with fully articulated solar panels and K-band antenna, substantially increase the exoplanet yield. Presented at the 217th AAS conference.

연구 동기 및 목표

• 어두운 에너지, 외계행성, 게스트 관측 설문에 걸쳐 과학 수확량을 극대화하는 최적화된 WFIRST 임무 개념을 설계하는 것.
• 내쉬어 설문 조사 이후 최근의 광학 및 기술 발전을 활용해 설문 효율성과 성능을 향상시키는 것.
• 제안된 WFIRST 구성이 JDEM-Omega 및 유럽우주국(Euclid) 임무와의 설문 속도 및 감도 측면에서 직접 비교하는 것.
• 비차폐된 입구, 이중 플레이트 스케일, 빔스탑 기하학 등의 핵심 설계 특징이 약한 렌즈 효과 및 외계행성 탐지에 끼치는 영향을 정량화하는 것.
• 45° 외부 빔스탑 절단 각도, 유연한 태양전지 패널, K-대역 안테나 조합이 외계행성 수확량을 상당히 증가시킨다는 것을 입증하는 것.

제안 방법

• 최신 광학 기술을 활용해 네 가지의 대안적 WFIRST 페이로드를 설계: 비차폐 1.3 또는 1.5 m 개구부, 0.18" 및 0.38–0.45" 픽셀 스케일을 갖춘 이중 초점판, 그리고 수렴 빛에서의 슬릿리스 분광학을 위한 프리즘을 탑재.
• JDEM 임무에서 이전에 개발된 광학 및 노출 시간 도구를 적용해 일정 깊이에서의 설문 속도를 모델링하고 비교.
• 동시 영상 및 분광학을 가능하게 하는 완전한 초점 시스템을 사용해 광학 계를 단순화하고 통과율을 향상시킴.
• 은하수 부두 관측 가능성을 높이기 위해 45° 외부 빔스탑 절단 각도를 도입해 연간 최대 270일 간의 관측 시간 확보.
• JDEM-Omega 및 유럽우주국(Euclid) 임무와의 성능 평가를 수행하며, WFIRST 설계 교훈을 반영한 수정된 Euclid 구성도 포함.
• 특히 약한 렌즈 효과에 있어 비차폐 입구로 인해 점원형 분포함수(PSF)의 조밀함, 신호 대 잡음비, 해상도 있는 은하 수가 향상됨을 정량화함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비차폐 입구는 차폐된 설계에 비해 약한 렌즈 성능을 어떻게 향상시키는가?
• RQ2 이중 동시 플레이트 스케일이 한 개의 초점판 시스템에서 설문 효율을 얼마나 향상시키는가?
• RQ3 슬릿리스 분광학에서 프리즘을 사용할 경우 그리즘 대비 통과율과 스펙트럼 해상도 측면에서 어떤가?
• RQ4 45° 외부 빔스탑 절단 각도는 달성 가능한 외계행성 설문 수확량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 WFIRST 설계 개선 사례를 반영한 수정된 Euclid 구성이 WFIRST 수준의 성능을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 비차폐 입구는 더 조밀한 점원형 분포함수(PSF)를 만들어내어 신호 대 잡음비를 향상시키고, 해상도 있는 은하의 수를 증가시켜 약한 렌즈 효과를 크게 향상시킨다.
• 완전한 초점 시스템 내에서 이중 동시 플레이트 스케일은 실현 가능하며 광학 계를 단순화하고 고통과율 영상 및 분광학을 가능하게 한다.
• 수렴 빛에서 프리즘을 사용하면 그리즘 대비 더 높은 통과율을 제공하여 슬릿리스 분광학의 감도를 향상시킨다.
• 45° 외부 빔스탑 절단 각도, 완전히 유연한 태양전지 패널, K-대역 안테나 조합으로 은하수 부두 관측 시간이 연간 270일까지 증가하여 외계행성 탐지 기회가 상당히 증가한다.
• 최적화된 WFIRST 설계는 약한 렌즈 및 외계행성 설문에 있어 JDEM-Omega 및 기본 Euclid 임무를 모두 뛰어나는 설문 속도와 감도를 확보한다.
• WFIRST 설계 교훈을 반영한 수정된 Euclid 구성은 WFIRST 수준에 근접하는 성능을 달성하여 제안된 개선 사항의 광범위한 영향을 입증한다.