[论文解读] Wide-Field InfraRed Survey Telescope (WFIRST) Final Report

J. Green, Christopher M. Hirata+52 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2012

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 5被引用 127

一句话总结

本文提出了美国国家航空航天局（NASA）广域红外巡天空间望远镜（WFIRST）的最终设计参考任务（DRM1 和 DRM2），该任务是2010年天体物理学十年调查推荐的高优先级空间任务。报告概述了一项宽场红外巡天能力，旨在优化暗能量研究、系外行星微引力透镜探测以及一般天体物理学研究，其中 DRM2 通过消除冗余能力来降低成本，同时保持与 NWNH（新世界，新视野）优先事项一致的核心科学目标。

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. Part of the original charge was to produce an interim design reference mission by mid-2011. That document was delivered to NASA and widely circulated within the astronomical community. In late 2011 the Astrophysics Division augmented its original charge, asking for two design reference missions. The first of these, DRM1, was to be a finalized version of the interim DRM, reducing overall mission costs where possible. The second of these, DRM2, was to identify and eliminate capabilities that overlapped with those of NASA's James Webb Space Telescope (henceforth JWST), ESA's Euclid mission, and the NSF's ground-based Large Synoptic Survey Telescope (henceforth LSST), and again to reduce overall mission cost, while staying faithful to NWNH. This report presents both DRM1 and DRM2.

研究动机与目标

• 基于2010年天体物理学十年调查的建议，为 WFIRST 定义一个科学上稳健且成本效益高的设计参考任务（DRM1）。
• 通过消除与詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）、欧几里得（Euclid）和大型综合巡天望远镜（LSST）等其他主要空间和地面任务重叠的能力，开发第二个更注重成本优化的设计（DRM2）。
• 在降低任务成本和技术风险的同时，确保 WFIRST 与 NWNH 科学优先事项保持一致。
• 为 WFIRST 的开发和未来任务选择提供全面的技术与科学基础。

提出的方法

• 科学定义团队（SDT）与戈达德空间飞行中心（GSFC）的 WFIRST 项目办公室及喷气推进实验室（JPL）的项目办公室合作，将临时设计参考任务发展为 DRM1 的最终版本。
• DRM2 通过识别并移除与 JWST、Euclid 和 LSST 重复的能力构建而成，重点突出其独特的科学贡献。
• 团队利用任务成本建模和权衡研究，在保持核心科学目标的同时降低整体任务成本。
• 该设计采用一台 2.4 米口径望远镜，配备宽场仪器，视场达 0.5 度，可实现深度、大范围的红外巡天。
• 科学能力根据 NWNH 目标优先排序，尤其关注暗能量、通过微引力透镜法探测系外行星以及一般天体物理学。
• 最终报告包含 DRM1 和 DRM2 的详细系统架构、仪器规格和任务运行计划。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计一台广域红外巡天望远镜，以在最小化成本的同时最大化科学回报？
• RQ2 如何重新配置 WFIRST 的能力，以避免与其他主要空间任务（如 JWST、Euclid 和 LSST）产生重复？
• RQ3 在开发一台聚焦于暗能量和系外行星微引力透镜探测的大口径空间望远镜时，关键的技术与成本权衡是什么？
• RQ4 如何在降低整体任务成本的同时，使任务与 NWNH 科学优先事项保持一致？
• RQ5 为实现在宇宙学和系外行星科学领域具有高影响力的巡天，需要哪些特定的仪器和观测策略？

主要发现

• DRM1 提供了 WFIRST 的最终定型、成本优化的设计，配备一台 2.4 米口径望远镜和覆盖 0.5 度视场的宽场仪器，可实现深度、大范围的红外巡天。
• DRM2 有效消除了与 JWST、Euclid 和 LSST 的重叠能力，降低了任务成本，同时保留了在暗能量和系外行星微引力透镜探测方面的核心科学目标。
• 该任务设计可对 2000 平方度的天区进行为期 1000 天的巡天，视场达 1000 角秒，可实现高精度弱引力透镜和超新星测量。
• 微引力透镜巡天能力经过优化，可探测银河系银心和银盘区域中类地质量及更小的系外行星，对雪线以外的行星也具备探测灵敏度。
• 报告表明，WFIRST 可在成本约束框架内实现其主要科学目标，尤其是在暗能量和系外行星探测方面。
• 最终设计保持与 NWNH 优先事项的兼容性，并为未来任务开发和资金决策提供了坚实基础。