[論文レビュー] A Cryogenic Space Telescope for Far-Infrared Astrophysics: A Vision for NASA in the 2020 Decade

C. M. Bradford, P. F. Goldsmith+17 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2015

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 8被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、35–600 µmの範囲で広帯域・中分解能の遠赤外線分光法を実現するため、4 Kに冷却された5メートルの低温宇宙望遠鏡CALISTOが提案されている。約10⁵の感度の高い検出ピクセルが光子背景限界で動作することで、宇宙の歴史を通じて銀河系内および周辺のダストに遮蔽された星形成、ブラックホールの成長、宇宙の再電離、原始惑星系円盤の進化に関する画期的な研究が可能になる。

ABSTRACT

Many of the transformative processes in the Universe have taken place in regions obscured by dust, and are best studied with far-IR spectroscopy. We present the Cryogenic-Aperture Large Infrared-Submillimeter Telescope Observatory (CALISTO), a 5-meter class, space-borne telescope actively cooled to 4 K, emphasizing moderate-resolution spectroscopy in the crucial 35 to 600 micron band. CALISTO will enable NASA and the world to study the rise of heavy elements in the Universe's first billion years, chart star formation and black hole growth in dust-obscured galaxies through cosmic time, and conduct a census of forming planetary systems in our region of the Galaxy. CALISTO will capitalize on rapid progress in both format and sensitivity of far-IR detectors. Arrays with a total count of a few 100,000 detector pixels will form the heart of a suite of imaging spectrometers in which each detector reaches the photon background limit. This document contains a large overview paper on CALISTO, as well as six 2-3 page scientific white papers, all prepared in response to NASA's Cosmic Origins Program Analysis Group (COPAG's) request for input on future mission concepts. The Far-IR Science Interest Group will meet from 3-5 June 2015 with the intention of reaching consensus on the architecture for the Far-IR Surveyor mission. This white paper describes one of the architectures to be considered by the community. One or more companion papers will describe alternative architectures.

研究の動機と目的

• 宇宙の歴史を通じてダストに遮蔽された天体的対象物に対する感受性が高く、広帯域の遠赤外線分光法を可能にすること。
• 再電離時代における重元素および有機分子の出現に関する重要な問いに答えること。
• 銀河系および近傍銀河における原始惑星系円盤の全貌を把握し、ガス質量および冷却過程を測定すること。
• 個々に検出できない微弱な銀河の遠赤外線ラインによる強度マッピングを実施すること。
• 110 µmでの熱放射を用いて、光学的検出限界以下の天体を検出することで、トランスネプチュニアン天体（TNO）のサイズとアリデオを測定すること。

提案手法

• 宇宙空間に設置され、5メートルの口径を持つ能動的冷却型望遠鏡を設計し、4 Kに冷却することで熱的背景を最小限に抑える。
• 遠赤外線用の大規模で高感度の検出器アレイ（最大約10⁵ピクセル）を採用し、光子背景限界で動作させる。
• 35–600 µmのバンドをカバーする中分解能のイメージング分光器を実装し、原子および分子ガスの冷却ラインを捕捉する。
• 地球-太陽ラグランジュ点L2のホーリーオービットで5年間のミッションライフを想定し、深さと広がりを持つ観測を実現する。
• 約110 µmでの熱放射を用いて、光学的検出限界以下のTNOを検出することで、サイズとアルベドの測定を可能にする。
• トモグラフィックな強度マッピングを適用し、個々に検出できない微弱な銀河の集団的クラスタリングおよび総放射を検出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙の歴史の最初の10億年間に、最初の銀河はダストに遮蔽された環境でどのように形成され、進化したのであろうか？
• RQ2 再電離時代における微細構造ラインとダストがガスの冷却に果たす役割は何か？ そして、この冷却プロセスの変化が初期の星形成にどのように影響したのであろうか？
• RQ3 宇宙の星形成の真の歴史と、特にダストに包まれた系における超大質量ブラックホールの成長との関連は何か？
• RQ4 遠赤外線ラインの強度マッピングにより、個々に検出できない微弱な銀河のクラスタリングおよび総放射をどのように明らかにできるか？
• RQ5 遠赤外線熱放射によって明らかにされる原始惑星系円盤およびトランスネプチュニアン天体の物理的状態、質量、進化は何か？

主な発見

• CALISTOは直径50 km程度のTNOを検出可能であり、スケールの大きな散乱円盤天体を含め、数万個の新たなトランスネプチュニアン天体の全貌を明らかにできる。
• 110 µmにおいて、CALISTOの5σ検出限界は、光学的に検出可能なTNOの熱放射フラックスを10倍以上上回り、より微弱で小さな天体の検出を可能にする。
• 遠赤外線分光法により、約10⁵の検出ピクセルが光子背景限界で動作することで、遮蔽された高赤方偏移銀河および埋め込まれた原始星の盲検出が可能になる。
• 約10⁵の検出ピクセルが光子背景限界で動作することで、遠赤外線観測の根本的感度限界に達する。
• CALISTOは遠赤外線ラインのトモグラフィックな強度マッピングを可能にし、個々に検出できない微弱銀河のクラスタリングおよび総放射を明らかにする。
• 本ミッションにより、原始惑星系円盤の進化の全過程にわたるガス質量、冷却、水の輸送に関する包括的な全貌が初めて明らかにされる。