[논문 리뷰] Theia: Faint objects in motion or the new astrometry frontier

The Theia Collaboration, Céline Bœhm외 97명|Edinburgh Research Explorer|2017. 07. 02.

Astronomy and Astrophysical Research참고 문헌 4인용 수 51

한 줄 요약

Theia는 암흑물질, 근처의 거주 가능한 외행성, 및 콤팩트 오브젝트를 연구하기 위한 초정밀 우주 천문측지 임무(sub micro-arcsecond)를 제안하며, 15%의 개방 관측시간과 Gaia 수준의 기준 프레임을 갖춘다.

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.

연구 동기 및 목표

• 암흑물질의 본질을 드워프 구상 은하와 Milky Way halo의 고정밀 천체측지를 통해 규명한다.
• 궤도 특성과 고유운동을 측정하여 암흑물질 헬로의 형태와 서브홀 섭동을 결정한다.
• 근처 별들 주위의 지구형 외행성을 정밀한 질량 및 경사각 측정으로 탐지하고 특징 지운다.
• 극한 환경에서의 물질 상태 방정식을 제약하기 위해 중성자별과 블랙홀을 관찰한다.
• 추가 과학 사례를 가능하게 하기 위해 오픈 커뮤니티 프로그램에 15%의 관측 시간을 제공한다.

제안 방법

• 350–1000 nm의 온-axis Korsch 3- Mirror Anastigmat 망원경을 0.8 m 주경과 f=32 m으로 제안한다.
• 포컬 플레인과 망원경에 메트로로지 시스템을 적용하여 상대 천체측지에서 sub-microarcsecond를 달성한다.
• 희미한 천체에 대해 ‘point and stare’ 차등 천체측지 전략을 사용하여 전례 없는 정밀도에 도달한다.
• 계측 픽셀 위치지정이 마이크로미터/픽셀 수준인 24 detectors(CCD 또는 CMOS)으로 구성된 포컬 플레인을 포함한다.
• Gaia-era 참조 프레임과 배경 쿼사들을 사용하여 천문측지 해법과 절대 참조 프레임을 보정한다.
• 슬루 및 안정화 단계에서 광도측정치를 최적화하도록 관측 일정을 구성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Theia가 드워프 구상 은하의 암흑물질 헬로가 cuspy인지 혹은 cored인지 여부를 정밀한 고유운동으로 판단할 수 있는가?
• RQ2 Milky Way 암흑물질 헬로의 외형(삼축성)은 무엇이며, 하이퍼벨로시티 스타는 이를 어떻게 제약할 수 있는가?
• RQ3 Theia가 관측한 헬로의 궤도에서 암흑물질의 궤도 분포를 추론할 수 있는가?
• RQ4 암흑물질 서브홀로가 은하 디스크에 어느 정도의 섭동을 일으킬 수 있으며, 이러한 섭동을 천체측지로 탐지할 수 있는가?
• RQ5 근처의 지구형 외행성들의 질량과 궤도 특성은 고정밀 천체측지로 무엇인가?

주요 결과

• Theia의 micro-arcsecond 천체측지는 별의 고유운동이 포함될 때 드워프 구상 은하에서 cuspy와 cored 암흑물질 프로필을 구분할 수 있게 한다.
• 드워프 은하의 별 고유운동은 밀도 프로필과 궤도 이방성 간의 단절점을 해소하여 암흑물질 제약을 강화한다.
• Theia는 하이퍼벨로시티 스타의 정밀 고유운동을 이용해 Milky Way halo 삼축성에 대해 축비에 대해 약 5%의 제약을 제공하며 Gaia를 능가한다.
• Theia의 측정은 10^6–10^8 태양질량 범위의 암흑물질 서브홀로가 디스크에 가하는 섭동을 관측 가능한 bending 모드로 지도한다.
• 임무는 근처의 지구형 외행성들의 질량 및 궤도 경사를 측정하고 행성계의 진정한 궤도 구조를 제공하는 것을 목표로 한다.
• 천문측지 데이터는 관측 중의 정밀 광도 측정과 절대 천문측지 기준 프레임을 통해 우주 거리 규모의 사다리에 기여할 것이다.