[论文解读] Absolute astrometry in the next 50 years

E. Høg|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2014

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 20被引用 7

一句话总结

本文提出一项下一代天体测量任务，旨在2033年前实现毫角秒至亚微角秒级别的精度，作为盖亚任务的后继者，利用先进的空间天体测量、甚长基线干涉测量（VLBI）、极大望远镜（E-ELT）的MICADO仪器以及LSST。文章认为，此类任务对于从系外行星到暗物质亚结构等所有天文尺度的基础天体测量至关重要。

ABSTRACT

With Gaia in orbit since December 2013 it is time to look at the future of fundamental astrometry and a time frame of 50 years is needed in this matter. A space mission with Gaia-like astrometric performance is required, but not necessarily a Gaia-like satellite. It should be studied whether this can be obtained within the budget of a medium-size ESA mission. A dozen science issues for a Gaia successor mission in twenty years, with launch about 2033, are presented and in this context also other possibilities for absolute astrometry with milliarcsecond (mas) or sub-mas accuracies are discussed. The three powerful techniques: VLBI, the MICADO camera on the E-ELT, and the LSST are described and documented by literature references and by an extensive correspondence with leading astronomers who readily responded with all the information I needed. In brief, the two Gaia-like missions would provide an astrometric foundation for all branches of astronomy from the solar system and stellar systems, including exo-planet systems, to compact galaxies, quasars and dark matter (DM) substructures by data which cannot be surpassed in the next 50 years. - In April 2017 ESA selected our proposal Hobbs et al. (2016) for study of a detector with NIR sensitivity for a Gaia successor mission, called GaiaNIR.

研究动机与目标

• 定义未来五十年内下一代盖亚任务在科学与技术方面的需求，以实现比盖亚更优的天体测量性能。
• 评估中型规模的欧洲航天局（ESA）任务是否能够实现类似盖亚的天体测量精度，并具备增强的能力，包括近红外灵敏度。
• 识别需要毫角秒或亚毫角秒绝对天体测量的天体物理科学驱动力。
• 评估互补的地面与空间技术——包括VLBI、E-ELT/MICADO和LSST——在超越盖亚任务后维持天体测量精度的能力。
• 倡导制定协调一致的长期基础天体测量战略，以支持未来数十年的多样化天文学研究。

提出的方法

• 提出一项基于空间的天体测量任务，具备类似盖亚的性能，专为在整个天球范围内实现高精度、绝对天体测量而优化。
• 考虑一项具备近红外（NIR）灵敏度的盖亚后继任务，基于欧洲航天局（ESA）的GaiaNIR研究提案，以扩展在尘埃区域的天体测量范围。
• 评估甚长基线干涉测量（VLBI）作为补充技术，在维持地基参考系和实现亚毫角秒精度方面的作用。
• 分析极大望远镜（E-ELT）上的MICADO仪器在光学与近红外波段实现高精度天体测量的潜力。
• 研究大型巡天望远镜（LSST）作为广域深空天体测量平台的潜力，通过时间序列分析实现亚毫角秒级别的精度。
• 综合文献与专家通信，验证各项所提议方法的可行性与科学回报。

实验结果

研究问题

• RQ1 未来五十年内，天体物理学的哪些科学目标需要毫角秒或亚毫角秒级别的绝对天体测量？
• RQ2 中型规模的欧洲航天局（ESA）任务能否实现类似盖亚的天体测量性能，并具备改进的灵敏度，特别是近红外波段？
• RQ3 像配备MICADO的极大望远镜（E-ELT）和LSST这样的地面设施，在维持长期天体测量精度方面，与空间任务相比如何？
• RQ4 VLBI在维持天球参考系和支持深空天体测量方面发挥什么作用？
• RQ5 2033年前部署盖亚后继任务的技术与财务限制是什么？如何应对这些限制？

主要发现

• 具备近红外灵敏度的盖亚后继任务（GaiaNIR）是一项切实可行且具有强烈科学吸引力的中型ESA任务选项。
• VLBI仍是维持天球参考系和实现长基线天体测量中亚毫角秒精度的关键技术。
• 极大望远镜（E-ELT）上的MICADO仪器有望在光学与近红外波段实现高精度天体测量，尤其适用于明亮天体。
• LSST通过深度时间域成像与先进数据处理，具备实现广域天体测量亚毫角秒精度的潜力。
• 空间、地面与VLBI技术的结合可为未来五十年提供一个稳健、多平台的天体测量基础。
• 没有任何单一平台能够超越两部类似盖亚的任务所达到的数据质量与覆盖范围，后者在精度与范围方面将在未来数十年内保持无与伦比的地位。