[论文解读] Wide-Field InfrarRed Survey Telescope-Astrophysics Focused Telescope Assets WFIRST-AFTA 2015 Report

David N. Spergel, N. Gehrels+53 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2015

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 123被引用 992

一句话总结

该份2015年报告介绍了广域红外巡天望远镜-天体物理学聚焦望远镜资产（WFIRST-AFTA）的参考任务设计（DRM），这是一台利用2.4米哈勃级望远镜开展大视场红外巡天的空间天文台。该任务可实现暗能量、通过微引力透镜法研究系外行星统计特征，以及通过大视场仪器和太阳系外行星直接成像用的星冕仪开展的一般天体物理学领域的突破性科学成果。

ABSTRACT

This report describes the 2014 study by the Science Definition Team (SDT) of the Wide-Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) mission. It is a space observatory that will address the most compelling scientific problems in dark energy, exoplanets and general astrophysics using a 2.4-m telescope with a wide-field infrared instrument and an optical coronagraph. The Astro2010 Decadal Survey recommended a Wide Field Infrared Survey Telescope as its top priority for a new large space mission. As conceived by the decadal survey, WFIRST would carry out a dark energy science program, a microlensing program to determine the demographics of exoplanets, and a general observing program utilizing its ultra wide field. In October 2012, NASA chartered a Science Definition Team (SDT) to produce, in collaboration with the WFIRST Study Office at GSFC and the Program Office at JPL, a Design Reference Mission (DRM) for an implementation of WFIRST using one of the 2.4-m, Hubble-quality telescope assemblies recently made available to NASA. This DRM builds on the work of the earlier WFIRST SDT, reported by Green et al. (2012) and the previous WFIRST-2.4 DRM, reported by Spergel et. (2013). The 2.4-m primary mirror enables a mission with greater sensitivity and higher angular resolution than the 1.3-m and 1.1-m designs considered previously, increasing both the science return of the primary surveys and the capabilities of WFIRST as a Guest Observer facility. The addition of an on-axis coronagraphic instrument to the baseline design enables imaging and spectroscopic studies of planets around nearby stars.

研究动机与目标

• 基于近期由NASA获得的2.4米望远镜，制定WFIRST-AFTA的全面任务设计。
• 回应2010年《天体物理学十年调查》（Astro2010 Decadal Survey）中确定的最优先科学目标，包括暗能量、系外行星统计特征以及一般天体物理学。
• 通过利用2.4米镜面相比更小设计更高的灵敏度和角分辨率，提升科学回报。
• 集成星冕仪仪器，以实现对附近恒星周围系外行星的直接成像与光谱分析。
• 建立稳健的、分阶段的任务架构，以同时支持保证时间观测和客座观测计划。

提出的方法

• 利用2.4米主镜，实现优于先前1.3米和1.1米设计的高角分辨率和高灵敏度。
• 实施大视场红外仪器（WFI），能够高效地对大面积天空进行巡天，以支持暗能量和一般天体物理学研究。
• 集成共轭星冕仪，以实现对附近恒星周围系外行星的直接成像与光谱分析。
• 设计任务以支持三大核心计划：暗能量科学研究、微引力透镜系外行星巡天，以及一般观测计划。
• 利用来自戈达德空间飞行中心（GSFC）的WFIRST研究办公室和喷气推进实验室（JPL）项目办公室的现有硬件与工程设计，确保任务可行性与成本效益。
• 基于前期研究，包括2012年Green等人的报告和2013年Spergel等人的WFIRST-2.4 DRM，确保科学与技术的延续性。

实验结果

研究问题

• RQ1 与更小口径设计相比，2.4米望远镜如何在暗能量、系外行星探测和一般天体物理学方面实现最优科学回报？
• RQ2 大视场红外仪器与星冕仪的最佳配置是什么，以实现高精度巡天和系外行星直接成像？
• RQ3 任务架构如何有效支持保证时间观测与客座观测计划？
• RQ4 使用2.4米望远镜开展大视场巡天任务的技术与成本影响是什么？
• RQ5 星冕仪的引入如何增强任务在研究系外行星大气与系统方面的能力？

主要发现

• 2.4米望远镜相比先前的1.3米和1.1米设计，显著提升了角分辨率与灵敏度，全面增强了各项任务计划的科学回报。
• 大视场红外仪器能够开展深度、大范围的巡天，对通过弱引力透镜效应和重子声学振荡约束暗能量至关重要。
• 共轭星冕仪能够实现对附近恒星周围系外行星的直接成像与光谱分析，显著拓展了任务在系外行星科学方面的能力。
• 任务设计支持全面的客座观测计划，确保核心巡天之外的广泛科学参与。
• DRM整合了现有硬件与工程框架，降低了技术风险，支持成本效益高的实施。
• 最终设计满足了《天体物理学十年调查》的最优先建议，使WFIRST-AFTA成为美国天体物理学的基石任务。