[論文レビュー] Voyage 2050 White Paper: All-Sky Visible and Near Infrared Space Astrometry

D. Hobbs, A. G. A. Brown+28 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2019

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 31被引用数 8

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、ガイヤーの功績を継承する未来の全天宇宙トランスティット測位計画『ボヤージュ2050』を提案する。可視光および近赤外線（NIR）の微秒アングストローム精度で測位を行うことで、銀河の中心部のようなチリで遮蔽された領域を含め、最大80億顆の恒星を深宇宙スカイスキャンする。ガイヤーの既存カタログと25〜35年のベースラインを組み合わせることで、恒星の自己運動と距離の測定精度が著しく向上し、銀河の運動学的構造、暗黒物質の小構造、恒星系形成のメカニズムに関する新たな知見が得られる。

ABSTRACT

A new all-sky visible and Near-InfraRed (NIR) space astrometry mission with a wavelength cutoff in the K-band is not just focused on a single or small number of key science cases. Instead, it is extremely broad, answering key science questions in nearly every branch of astronomy while also providing a dense and accurate visible-NIR reference frame needed for future astronomy facilities. For almost 2 billion common stars the combination of Gaia and a new all-sky NIR astrometry mission would provide much improved proper motions, answering key science questions -- from the solar system and stellar systems, including exoplanet systems, to compact galaxies, quasars, neutron stars, binaries and dark matter substructures. The addition of NIR will result in up to 8 billion newly measured stars in some of the most obscured parts of our Galaxy, and crucially reveal the very heart of the Galactic bulge region. In this white paper we argue that rather than improving on the accuracy, a greater overall science return can be achieved by going deeper than Gaia and by expanding the wavelength range to the NIR.

研究の動機と目的

• ガイヤーおよびヒッパルコス計画の功績を継承し、可視光および近赤外線（NIR）帯域で全天にわたる深宇宙測位調査を実施することで、のちの銀河の位相空間サンプリングを著しく向上させること。
• ガイヤーの可視光観測がチリで遮蔽される領域で限界を示すのを補完するため、宇宙空間に設置されたNIR測位計画を導入し、星間減光をより効果的に透過できるようにすること。
• ガイヤー（2019年完了）のデータと将来の計画を組み合わせることで、25〜35年の長基準時を確保し、恒星の自己運動および距離測定の精度を向上させること。
• 高精度で時間遅延統合（TDI）動作が可能な、大容量で低ノイズの可視光〜NIR対応検出器（例：GeおよびMKIDアレイ）の開発と運用を推進し、深宇宙スキャンに適した測位を実現すること。
• 将来の天文施設のための高密度かつ高精度な多波長測位基準フレームを整備すること。これにより、暗黒物質、銀河構造、恒星運動学の研究が促進される。

提案手法

• ガイヤーを上回る口径を備えた宇宙望遠鏡を提案し、可視光およびNIR波長（最大2.2 µm、Kバンド）に焦点を当て、空間分解能と感度を向上させること。
• 高度な可視光〜NIR検出器（Geおよびマイクロ波キネティックインダクタンス検出器（MKID）を含む）を用いた時間遅延統合（TDI）を活用し、高精度な光子レベル測定を実現すること。
• ガイヤーの既存カタログ（GDR2、EDR3）と本計画のデータを統合することで、測位測定の基準時を5年から25〜35年に延長し、自己運動の精度を1 km/s未塔に高める。
• 過去の測位計画（SIM、NEAT、Theiaなど）の既存メトロロジー技術を活用し、超高精度の指向制御および波面センシングの設計を支援すること。
• 銀河モデル（例：Bovyらの減光地図を用いたGalaxia）を用いた星数モデル化により、本計画がガイヤーより5〜6倍の星を検出可能であると推定され、特に銀河のディスクおよびバルジ領域で顕著である。
• Ge（最大1600 nm）およびMKID（最大2.2 µm）のNIR応答に最適化された低ノイズで高量子効率の検出器を開発し、シリコンベースの製造技術を応用したスケーラブルな製造手法を採用すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 チリによる減光が著しい可視光観測を制限する銀河の中心部（バルジおよびバー）において、NIR測位計画が位相空間サンプリングをどのように向上させ得るか？
• RQ2 25〜35年の期間を想定した場合、恒星の自己運動の精度を1 km/s未塔に達成するための最適な基準時長およびデータ統合戦略は何か？
• RQ3 GeおよびMKIDアレイといった新技術検出器が、高精度・低ノイズ・多波長測位を実現する上で、深宇宙スキャンに与える影響はどの程度か？
• RQ4 NIRデータの統合が、恒星運動学的解析および軌道解析を通じて暗黒物質の小構造を検出・特徴づける上で、どのような影響を及ぼすか？
• RQ5 ガイヤーのGバンド限界（20.7 mag）からHバンドおよびKバンド限界（20.0 mag）に拡張した場合、特に銀河の平面およびハロー領域における源数の増加はどの程度か？また、源の密集がその影響に与える影響は？

主な発見

• 本計画では、ガイヤーに比べ少なくとも5倍の星を検出可能であり、推定では最大80億個の新規源が検出可能で、特に銀河のディスクおよびバルジで最も遮蔽された領域に集中する。
• NIR測位により、HバンドおよびKバンドでガイヤーに比べ5〜6倍の星が検出可能となり、特に高減光領域で顕著に位相空間カバレッジが向上し、銀河の内側領域の測位が著しく改善される。
• 本計画のデータとガイヤーのデータを25〜35年の長基準時で統合することで、自己運動の精度が14〜20倍向上し、遠方のハロー領域の恒星の距離測定精度も向上する。これにより、約100 kpcまでの距離で2〜3 km/sの精度で速度測定が可能になる。
• TDI対応の可視光〜NIR検出器（例：Ge、MKID）を活用することで、微秒アングストロームレベルの精度で光子レベルの多波長・時間分解測定が可能となり、深宇宙測位に不可欠となる。
• 本計画は、将来の宇宙および地上望遠鏡施設の根本的測位基準フレームを提供し、銀河形成、恒星のフィードバック、惑星系の運動学的ダイナミクスの研究を支援する。
• 特に銀河中心部への減光モデルの不確実性は、ガイヤー単体では解決できない重要な科学的課題を示しており、本計画は銀河の内側構造を解明する上で不可欠である。