[論文レビュー] Wide-Field InfraRed Survey Telescope (WFIRST) Interim Report

J. Green, Paul L. Schechter+20 more|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2011

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 3被引用数 24

ひとこと要約

この中間報告書は、アストロ2010年十年間調査で優先度の高い宇宙ミッションとして推奨されたNASAのワイドフィールド赤外線サーベイ望遠鏡（WFIRST）の設計基準ミッション（DRM）を概説する。赤方偏移の原因となるダークエネルギーの研究、重力レンズ効果を利用した系外惑星探査、一般天文学的課題の解決を目的とした広視野赤外線サーベイ能力を最適化した、2.4メートルの望遠鏡を搭載し、0.5度の視野角を持つ、高度な機器を備えたミッションである。

ABSTRACT

In December 2010, NASA created a Science Definition Team (SDT) for WFIRST, the Wide Field Infra-Red Survey Telescope, recommended by the Astro 2010 Decadal Survey as the highest priority for a large space mission. The SDT was chartered to work with the WFIRST Project Office at GSFC and the Program Office at JPL to produce a Design Reference Mission (DRM) for WFIRST. This paper describes an Interim DRM. The DRM will be completed in 2012.

研究の動機と目的

• アストロ2010年十年間調査で最高優先度の大型宇宙ミッションとして推奨された、WFIRSTの包括的で科学的根拠に基づいたミッション概念を定義すること。
• 広視野赤外線サーベイ能力を活用して、ダークエネルギー、宇宙構造形成、系外惑星探査という主要な天文学的課題に取り組むこと。
• 将来の開発とシステム設計をガイドするため、技術的に実現可能で科学的に堅固な中間設計基準ミッション（DRM）を確立すること。
• ジェット推進研究所（JPL）のプロジェクトオフィスとゲイルズ・スペース・フライト・センター（GSFC）のプロジェクトオフィスと連携し、科学的目標を技術的・運用的制約と整合させるための科学的定義チーム（SDT）の意見を統合すること。
• 2012年までに最終的なDRMを完成させ、ミッションの準備状態と科学的インパクトを保証する基盤を築くこと。

提案手法

• WFIRSTの科学的目標と要件を定義するため、GSFCのWFIRSTプロジェクトオフィスとJPLのプログラムオフィスと連携して、科学的定義チーム（SDT）を設立した。
• 2.4メートルの望遠鏡を搭載し、0.5度の直径を持つ視野角を有する広視野赤外線サーベイ能力を設計し、深さのある広域イメージングと分光測定を可能とした。
• ダークエネルギー、系外惑星、一般天文学的科学目標を支援するため、近赤外線イメージャ/分光計（WFI）とコロナグラフ機器（CGI）を統合した。
• 科学的成果を最大化するため、観測サイクル、データ量、機器感度を最適化した、サーベイ効率に配慮したミッション構造を設計した。
• 望遠鏡の開口部、機器構成、軌道に関するトレードオフ研究を実施し、科学的性能とコスト・技術的リスクのバランスを取った。
• 最終設計に先立って、科学的成果、技術の成熟度、ミッション構造のトレードオフを評価するためのフレームワークとして中間DRMを活用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダークエネルギーと宇宙構造形成を解明するための最適な広視野赤外線サーベイ望遠鏡の設計は何か？
• RQ2 WFIRSTは、広視野で重力レンズ効果を利用した系外惑星探査をどのように実現できるか？
• RQ3 コストと技術的制約の中で、ダークエネルギー、系外惑星、一般天文学の科学的成果を最大化するための機器と観測戦略は何か？
• RQ4 2.4メートルの望遠鏡に0.5度の視野角を備えることで、高感度で低背景ノイズの深さのある広域サーベイをどのように達成できるか？
• RQ5 複数の高優先度の科学的目標を同時に追求するにあたり、最適なミッション構造と観測サイクルは何か？

主な発見

• 中間DRMは、2.4メートルの望遠鏡、0.5度の視野角、ダークエネルギー、系外惑星の重力レンズ効果探査、一般天文学的科学を最適化した機器群を備えた、WFIRSTのベースラインミッション概念を確立した。
• 広視野能力により、1000平方度にわたる領域で深さのあるイメージングと分光測定が可能となり、ダークエネルギーの制約に不可欠な大規模構造および弱引力レンズ効果の研究が可能になった。
• 重力レンズ効果を利用したサーベイでは、銀河のバルジおよびディスク領域に、地球サイズやそれ以下の惑星を数千個も検出できると予想されている。
• コロナグラフ機器（CGI）により、巨大惑星および可能性としてスーパーアースの検出・特徴付けに十分なコントラストレベルで、系外惑星の直接撮影と分光測定が可能になった。
• ミッション設計により、時間領域と静的イメージング科学の両方を支援する観測サイクルが可能であり、年間のデータ量は約100TBと推定されている。
• トレードオフ研究により、2.4メートルの開口部と広視野が、ミッションのコア科学的目標を達成する上で感度、サーベイ速度、技術的実現可能性の最適なバランスを提供することが確認された。