[论文解读] Theia: Faint objects in motion or the new astrometry frontier

The Theia Collaboration, Céline Bœhm+97 more|Edinburgh Research Explorer|Jul 2, 2017

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 4被引用 51

一句话总结

Theia 提出了一项超高精度的太空天体测量任务（sub micro-arcsecond）以研究暗物质、附近可居住的系外行星以及紧凑天体，具备 15% 的开放天文观测时间和 Gaia-level 参考框架。

ABSTRACT

In the context of the ESA M5 (medium mission) call we proposed a new satellite mission, Theia, based on relative astrometry and extreme precision to study the motion of very faint objects in the Universe. Theia is primarily designed to study the local dark matter properties, the existence of Earth-like exoplanets in our nearest star systems and the physics of compact objects. Furthermore, about 15 $\%$ of the mission time was dedicated to an open observatory for the wider community to propose complementary science cases. With its unique metrology system and "point and stare" strategy, Theia's precision would have reached the sub micro-arcsecond level. This is about 1000 times better than ESA/Gaia's accuracy for the brightest objects and represents a factor 10-30 improvement for the faintest stars (depending on the exact observational program). In the version submitted to ESA, we proposed an optical (350-1000nm) on-axis TMA telescope. Due to ESA Technology readiness level, the camera's focal plane would have been made of CCD detectors but we anticipated an upgrade with CMOS detectors. Photometric measurements would have been performed during slew time and stabilisation phases needed for reaching the required astrometric precision.

研究动机与目标

• 通过对矮球状星系和银河系晕的高精度测量来探究暗物质的性质。
• 测量轨道属性与固有运动以确定暗物质晕的形状及子晕扰动。
• 通过精确的质量和倾角测量，探测并表征附近恒星周围的地球类系外行星。
• 通过观测中子星和黑洞来约束极端环境下物质的状态方程。
• 提供 15% 的观测时间用于开放社区计划，以推动额外科学案例。

提出的方法

• 提出一个在轴向 350–1000 nm 的 Korsch 三反射镜像差望远镜，主镜 0.8 m，焦比 f=32 m。
• 在焦平面和望远镜上使用计量系统以实现 sub-microarcsecond 相对天文测量。
• 采用‘点对观测/点看’差分天区测量策略，以达到前所未有的微弱对象精度。
• 包含一个具有基于计量的像素定位（微米/像素级）的 24 架探测器的焦平面（CCD 或 CMOS）。
• 使用 Gaia-era 参考框架和背景类星体来校准天文位置解和绝对参考框架。
• 安排观测以在机动和稳定阶段优化光度测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 Theia 能否通过对观测到的矮球状星系的恒星固有运动来判断暗物质晕是 cusp 还是 core？
• RQ2 银河系暗物质晕的外形（三轴性）是怎样的，超速星可以如何约束它？
• RQ3 可以通过 Theia 观测到的晕星轨道来推断晕中暗物质的轨道分布吗？
• RQ4 暗物质子晕如何在多大程度上扰动银河盘，并且此类扰动是否可以天区测量检测到？
• RQ5 通过高精度天区测量可以得到附近地球类系外行星的质量和轨道倾角，从而获得行星系统的真实轨道结构吗？

主要发现

• Theia 的微角秒级天文测量在包含恒星固有运动时，使矮球状星系的 cuspy 与 cored 暗物质分布轮廓区分成为可能。
• 矮星系中恒星的固有运动解除密度轮廓与轨道各向异性之间的简并性，使暗物质约束更强。
• Theia 能通过高精度的高速度星的固有运动将银河系晕的三轴性约束到约 5% 的轴比，超过 Gaia。
• Theia 的测量可以通过可观测的弯曲模式，绘制由暗物质子晕在 10^6–10^8 太阳质量范围内引起的圆盘扰动。
• 该任务旨在测量附近地球类系外行星的质量和轨道倾角，并提供行星系统的真实轨道结构。
• 天文测位置数据将通过观测过程中的精确光度测量和绝对天体位置参考框架，为宇宙距离尺提供贡献。