[論文レビュー] Athena (Advanced Telescope for High ENergy Astrophysics) Assessment Study Report for ESA Cosmic Vision 2015-2025

X. Barcons, D. Barret+17 more|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2012

Particle Detector Development and Performance参考文献 1被引用数 29

ひとこと要約

本論文は、ESAのCosmic Vision 2015–2025プログラム向けに提案されたX線宇宙望遠鏡ミッションであるAthena（Advanced Telescope for High Energy Astrophysics）の評価研究を提示する。12 mの焦点距離、10"の角分解能、1 keVにおける有効面積1 m²を備えた、2台の共通軸の望遠鏡を搭載する。ミッションは、広視野イメージャー（WFI）とX線マイクロカロリメータースペクトロメータ（XMS）の二重搭載機器を備え、高分解能X線分光法および撮影により、ブラックホール、宇宙フィードバック、大規模構造を研究する。

ABSTRACT

Athena is an X-ray observatory-class mission concept, developed from April to December 2011 as a result of the reformulation exercise for L-class mission proposals in the framework of ESA's Cosmic Vision 2015-2025. Athena's science case is that of the Universe of extremes, from Black Holes to Large-scale structure. The specific science goals are structured around three main pillars: "Black Holes and accretion physics", "Cosmic feedback" and "Large-scale structure of the Universe". Underpinning these pillars, the study of hot astrophysical plasmas offered by Athena broadens its scope to virtually all corners of Astronomy. The Athena concept consists of two co-aligned X-ray telescopes, with focal length 12 m, angular resolution of 10" or better, and totalling an effective area of 1 m2 at 1 keV (0.5 m2 at 6 keV). At the focus of one of the telescopes there is a Wide Field Imager (WFI) providing a field of view of 24' imes 24', 150 eV spectral resolution at 6 keV, and high count rate capability. At the focus of the other telescope there is the X-ray Microcalorimeter Spectrometer (XMS), a cryogenic instrument offering a spectral resolution of 3 eV over a field of view of 2.3' imes 2.3'. Although Athena has not been selected as ESA's Cosmic Vision 2015-2025 L1 mission, its science goals and concept conform the basis of what should become ESA's X-ray astronomy flagship.

研究の動機と目的

• 極限の宇宙（ブラックホールから大規模構造まで）を対象とする画期的なX線天文学ミッションを定義すること。
• 宇宙の至る所に広がる高温の天体プラズマを、前例のない感度と分光分解能で研究できるミッション概念を開発すること。
• 2015–2025年のCosmic VisionプログラムにおけるESAのL1ミッション候補として、大規模X線望遠鏡の技術的・科学的妥当性を評価すること。
• ブラックホール降着、宇宙フィードバック、および宇宙の大規模構造に焦点を当てた包括的な科学的根拠を確立すること。
• 主要機器、望遠鏡性能、ミッション構成を定義することで、将来のX線宇宙望遠鏡の基盤を築くこと。

提案手法

• 12 mの焦点距離と10"の角分解能を持つ2台の共通軸X線望遠鏡を設計し、高効率なX線集光を実現する。
• 1台の望遠鏡焦点に広視野イメージャー（WFI）を設置し、24′ × 24′の視野角を実現。6 keVにおける150 eVの分光分解能と高いカウントレート能力を備える。
• もう1台の望遠鏡焦点にX線マイクロカロリメータースペクトロメータ（XMS）を統合し、2.3′ × 2.3′の視野角で3 eVの分光分解能を達成する。
• 1 keVにおける有効面積を1 m²、6 keVにおける有効面積を0.5 m²に最適化することで、深宇宙調査と高感度観測を可能にする。
• 科学、機器、望遠鏡、地上セグメントの作業グループによる協働を通じて、科学的目標、機器性能、ミッション構成の包括的評価を実施する。
• AthenaがL1ミッションに選ばれなかったものの、将来的なミッション選定を支援するための研究を実施し、今後のX線フラッグシップミッションの科学的・技術的基盤を提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 次世代X線望遠鏡は、ブラックホール降着および宇宙フィードバックを詳細に研究するために、どの程度の感度と分光分解能を達成できるか？
• RQ2 広視野X線撮影と高分解能分光法を同時に実現するための最適な機器およびミッション構成は何か？
• RQ3 WFIとXMSを搭載した二重機器X線望遠鏡は、小形天体から大規模構造に至るまで、天体物理学的現象の全範囲をどの程度カバーできるか？
• RQ4 深宇宙観測に適した大規模で高スループットのX線望遠鏡を設計するにあたり、技術的・科学的妥当性のトレードオフは何か？
• RQ5 Athenaの概念は、多様な宇宙環境における高温天体プラズマの研究をどの程度前進させるか？

主な発見

• Athenaの概念は、1 keVで1 m²、6 keVで0.5 m²の有効面積を達成し、X線深宇宙調査に類いまれな感度を提供する。
• 広視野イメージャー（WFI）は、24′ × 24′の視野角と6 keVにおける150 eVの分光分解能を備え、広がった天体の高頻度・高スループット観測を可能にする。
• X線マイクロカロリメータースペクトロメータ（XMS）は、2.3′ × 2.3′の視野角で3 eVの分光分解能を実現し、イオン化プラズマの発光線を高精度で測定可能である。
• 共通軸光学系を備えた二重望遠鏡設計により、最適なアライメントが確保され、同時に広視野撮影と高分解能分光法が可能になる。
• ミッション概念は、ブラックホール降着物理学、宇宙フィードバック、大規模構造形成という3つのコア科学的柱を的確にカバーしている。
• L1ミッションに選ばれなかったものの、Athenaの研究は、ESAの将来のX線天文学フラッグシップミッションの科学的・技術的基盤をしっかり確立した。