[論文レビュー] Athena+: The first Deep Universe X-ray Observatory

D. Barret, K. Nandra+32 more|ASEP|Oct 14, 2013

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 14被引用数 18

ひとこと要約

Athena+ は2028年打ち上げを想定した次世代X線望遠鏡であり、SiPore光学素子（SPO）を用いた高 through-put のX線望遠鏡を備え、1 keV における有効面積2 m²、X-IFUおよびWFI機器による高分解能分光計測を実現することで、大規模構造の形成およびブラックホール成長に関する根本的問いに答えることを目的としている。Chandra よりも100倍以上のサーベイ速度、既存ミッションと比較して100倍以上の高分解能透過率を達成し、赤方偏移 z ~ 3 までのホットでエネルギーの高い宇宙現象の変革的研究を可能にする。

ABSTRACT

The Advanced Telescope for High-energy Astrophysics (Athena+) is being proposed to ESA as the L2 mission (for a launch in 2028) and is specifically designed to answer two of the most pressing questions for astrophysics in the forthcoming decade: How did ordinary matter assemble into the large scale structures we see today? and how do black holes grow and shape the Universe? For addressing these two issues, Athena+ will provide transformational capabilities in terms of angular resolution, effective area, spectral resolution, grasp, that will make it the most powerful X-ray observatory ever flown. Such an observatory, when opened to the astronomical community, will be used for virtually all classes of astrophysical objects, from high-z gamma-ray bursts to the closest planets in our solar neighborhood. In this paper, we briefly review the core science objectives of Athena+, present the science requirements and the foreseen implementation of the mission, and illustrate its transformational capabilities compared to existing facilities.

研究の動機と目的

• 宇宙における通常の物質がどのように大規模構造に集積したかという根本的な天体物理学的問いに応えること。
• 宇宙の歴史を通じて、超大質量ブラックホールとその宿主銀河との共進化を調査すること。
• Chandra や XMM-Newton などの既存望遠鏡と比較して、X線感度、分光分解能、サーベイ速度の面で画期的な飛躍を達成すること。
• 赤方偏移 z ~ 3 まで高赤方偏移X線分光計測を可能とし、現在の能力が z < 0.3 に限られる現状を拡張すること。
• 全X線源クラスにわたる広範な科学的範囲をカバーする、コミュニティ主導の包括的望遠鏡を提供すること。

提案手法

• 12メートルの展開式の宇宙船を採用し、シリコンポア光学素子（SPO）に基づく高透過率X線望遠鏡を備え、5″未満の角分解能と平坦なフィールド応答を達成する。
• X線統合フィールドユニット（X-IFU）は、50 mK に冷却された遷移エッジセンサーを用いたマイクロカルリブレータ分光計測器であり、高分解能イメージング分光計測を実現する。
• ワイドフィールドイメージャー（WFI）は、広い視野と中程度の分光分解能を持つシリコンアクティブピクセルセンサーであり、高コマレート、高透過率の観測を可能にする。
• 太陽-地球L2ポイントのハロー軌道で運用するにあたり、XMM-Newton の実績を踏襲した設計を採用し、熱的安定性と観測効率を最適化する。
• 有効面積 × 視野の積がChandraの100倍以上を達成し、1 keV における有効面積が2 m²に達する。
• 欧州で開発された先端技術をESAの支援のもと統合し、ミッション成熟度と技術準備度を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の宇宙に観測される大規模構造に、バリオン物質がどのように集積したのであろうか？
• RQ2 超大質量ブラックホールの成長を駆動する物理的メカニズムは何か。また、それが銀河や銀河団の進化に与える影響は何か？
• RQ3 高赤方偏移（z ~ 3）まで高分解能X線分光計測を拡張することで、ホットでエネルギーの高い宇宙をどのように研究できるか？
• RQ4 ホットな銀河間および銀河団内媒体における支配的加熱・冷却プロセスは何か？
• RQ5 活動銀河核からのフィードバックプロセスは、銀河団の熱的および化学的進化にどのように寄与するか？

主な発見

• Athena+ は、ASTRO-H や XMM-Newton グラス分光計測と比較して、高分解能分光計測透過率で100倍以上の向上を達成する。
• この望遠鏡により、赤方偏移 z ~ 3 までの遠方天体の高分解能X線分光計測が可能となり、現在の能力が z < 0.3 に限られる現状を大幅に超える。
• 1 keV における有効面積が2 m²、視野が約40 arcmin²であるため、Athena+ はChandra よりも100倍以上のサーベイ速度を達成する。
• X-IFU 機器は6 keV におけるエネルギー分解能を約2.5 eV に達し、X線発光ラインのドーピラー幅の精密測定が可能になる。
• ワイドフィールドイメージャーは、スペクトル・タイミング・イメージング観測において、XMM-Newton PNカメラと比較して10倍以上の素の透過率を提供する。
• 高角分解能、広い有効面積、フィールド全体にわたる平坦な応答特性の組み合わせにより、全機器アパーチャーにわたり一貫した性能が保証される。