[论文解读] SPICA - a large cryogenic infrared space telescope Unveiling the obscured Universe

Peter Roelfsema, H. Shibai+67 more|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2018

Astronomy and Astrophysical Research被引用 20

一句话总结

SPICA 提出了一台2.5米口径的低温红外空间望远镜，通过机械制冷系统将温度冷却至8 K以下，从而在中红外和远红外波段实现前所未有的灵敏度与光谱分辨率。其灵敏度可达约5×10⁻²⁰ W/m²（5σ/1小时），为研究宇宙时空中星系演化、尘埃形成以及行星系统形成开辟了新途径。

ABSTRACT

Measurements in the infrared wavelength domain allow us to assess directly the physical state and energy balance of cool matter in space, thus enabling the detailed study of the various processes that govern the formation and early evolution of stars and planetary systems in galaxies over cosmic time. Previous infrared missions, from IRAS to Herschel, have revealed a great deal about the obscured Universe, but sensitivity has been limited because up to now it has not been possible to fly a telescope that is both large and cold. SPICA is a mission concept aimed at taking the next step in mid- and far-infrared observational capability by combining a large and cold telescope with instruments employing state-of-the-art ultra-sensitive detectors. The mission concept foresees a 2.5-meter diameter telescope cooled to below 8 K. With cooling provided by mechanical coolers instead of depending on a limited cryogen supply, the mission lifetime can extend significantly beyond the required three years. SPICA offers instrumentation with spectral resolving powers ranging from R ~50 through 11000 in the 17-230 $\mu$m domain as well as R~28.000 spectroscopy between 12 and 18 $\mu$m. Additionally SPICA will provide efficient 30-37 $\mu$m broad band mapping, and polarimetric imaging in the 100-350 $\mu$m range. SPICA will provide unprecedented spectroscopic sensitivity of ~5 x $10^{-20}$ W/m$^2$ (5$\sigma$/1hr) - at least two orders of magnitude improvement over what has been attained to date. With this exceptional leap in performance, new domains in infrared astronomy will become accessible, allowing us, for example, to unravel definitively galaxy evolution and metal production over cosmic time, to study dust formation and evolution from very early epochs onwards, and to trace the formation history of planetary systems.

研究动机与目标

• 通过部署一台大型、低温冷却的望远镜，克服以往红外空间任务的灵敏度限制。
• 实现对恒星与行星形成、星系演化等低温、被遮蔽天体物理过程的详细研究。
• 通过使用机械制冷系统而非有限的低温剂，将任务寿命延长至三年以上。
• 在17–230 µm波段实现从R ~50到R ~11,000的光谱分辨率，并在12–18 µm波段实现R ~28,000的分辨率。
• 在30–37 µm波段提供波段映射能力，在100–350 µm波段实现偏振成像，以增强天体物理诊断能力。

提出的方法

• 利用2.5米口径望远镜，通过机械制冷系统主动冷却至8 K以下，确保长期低温运行。
• 配备最先进的超灵敏红外探测器，以最大化中红外和远红外波段的灵敏度。
• 在17–230 µm波段实现高分辨率光谱测量，光谱分辨率最高可达R ~11,000，在12–18 µm波段实现R ~28,000的分辨率。
• 实现30–37 µm波段的高效波段映射，以高灵敏度对大范围天空区域进行巡天。
• 在100–350 µm波段集成偏振成像能力，用于探测恒星形成区中磁场结构与尘埃取向。
• 实现约5×10⁻²⁰ W/m²的光谱灵敏度（5σ/1小时），相比以往任务提升两个数量级。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何显著提升中红外和远红外观测的灵敏度，以研究被遮挡的天体物理过程？
• RQ2 早期星系与恒星形成区中低温物质的物理条件与能量平衡是什么？
• RQ3 从宇宙最早时期到现今，尘埃的形成与演化过程如何进行？
• RQ4 如何通过红外发射与吸收特征，详细追溯行星系统的形成历史？
• RQ5 如何在不依赖有限低温剂的前提下，实现在太空中长期、稳定的低温运行？

主要发现

• SPICA 实现了约5×10⁻²⁰ W/m²的光谱灵敏度（5σ/1小时），相比以往红外空间任务至少提升了两个数量级。
• 该任务在17–230 µm波段实现了R ~11,000的光谱分辨率，使对冷星际介质中分子与原子谱线的详细研究成为可能。
• 在12–18 µm波段实现的高分辨率R ~28,000光谱测量，可精确诊断演化恒星与活动星系核中电离气体与激波气体的特性。
• 30–37 µm波段的高效波段映射能力，使对恒星形成区与星系群的深空广域巡天成为可能。
• 100–350 µm波段的偏振成像能力，可实现对致密分子云与原恒星环境磁场结构的映射。
• 采用机械制冷系统替代低温剂，使任务寿命远超三年要求，确保长期科学运行。