[論文レビュー] AXIS: A Probe Class Next Generation High Angular Resolution X-ray Imaging Satellite

R. F. Mushotzky|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2018

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 64被引用数 4

ひとこと要約

AXISは、0.4角秒の分解能を有する24'×24'の視野と、チャンドラに比べ10倍の集光面積を持つ次世代のプローブクラスX線天文衛星を提案している。精密研磨された単結晶シリコン光学素子と高度な小型ピクセルシリコン検出器を用いる。このミッションにより、ブラックホール降着、AGNフィードバック、一時的現象の高分解能イメージングおよび分光測定が可能となり、2028年の打ち上げが予定されており、費用は10億ドル未満である。

ABSTRACT

AXIS is a probe-class concept under study for submission to the 2020 Decadal Survey. AXIS will extend and enhance the science of high angular resolution X-ray imaging and spectroscopy in the next decade with $\sim 0.4''$ resolution over a 24$' imes 24'$ field of view, with 0.3$"$ in the central 14$' imes 14'$, and ~10x more collecting area than Chandra. These capabilities are made possible by precision-polished lightweight single-crystal silicon optics achieving both high angular resolution and large collecting area, and next generation small-pixel silicon detectors adequately sampling the point spread function and allowing timing science and preventing pile up with high read-out rate. We have selected a low earth orbit to enable rapid target of opportunity response, similar to Swift, with a high observing efficiency, low detector background and long detector life. The combination opens a wide variety of new and exciting science such as: (1) measuring the event horizon scale structure in AGN accretion disks and the spins of supermassive black holes through observations of gravitationally-microlensed quasars; (ii) determining AGN and starburst feedback in galaxies and galaxy clusters through direct imaging of winds and interaction of jets and via spatially resolved imaging of galaxies at high-z; (iii) fueling of AGN by probing the Bondi radius of over 20 nearby galaxies; (iv) hierarchical structure formation and the SMBH merger rate through measurement of the occurrence rate of dual AGN and occupation fraction of SMBHs; (v) advancing SNR physics and galaxy ecology through large detailed samples of SNR in nearby galaxies; (vi) measuring the Cosmic Web through its connection to cluster outskirts; (vii) a wide variety of time domain science including rapid response to ToOs. With a nominal 2028 launch, AXIS benefits from natural synergies with the ELTs, LSST, ALMA, WFIRST and ATHENA.

研究の動機と目的

• 2020年代における高角度分解能X線天文学を、費用対効果に優れたプローブクラスミッションによって前進させる。
• クェーサーの重力レンズ効果による歪みを用いて、ブラックホールのスピンと降着円盤構造を測定する。
• 高赤方偏移銀河および銀河団におけるAGNフィードバックおよびジェット相互作用を直接イメージングする。
• 近傍銀河におけるボンドィ半径をイメージングすることで、AGNの燃料供給を解明する。
• 低地球軌道と高い旋回速度を活用して、迅速なターゲット・オブ・オポーチュニティ観測を可能にする。

提案手法

• 精密研磨された軽量な単結晶シリコンミラーを用いて、0.4角秒未満の分解能と大きな有効面積を実現する。
• 高速読み出しと低ノイズを特徴とする次世代の小型ピクセル（8–16 μm）シリコン検出器を採用し、ポイント spread 関数を正確にサンプリングし、ピクセルの重なり（pile-up）を防止する。
• 低地球軌道（約600 km、準赤道軌道）で運用することで、迅速なターゲット・オブ・オポーチュニティ対応と高い観測効率（約75％）を実現する。
• 既存の宇宙船部品と姿勢再構築技術に依存し、0.1角秒の指向精度を達成することで、高分解能イメージングに不可欠な性能を確保する。
• チャンドラとIXOからの25年間にわたる技術的蓄積を活用し、ウェーパー研磨および検出器製造分野における半導体産業の進歩を応用する。
• 検出器はTRL 6、セグメント化されたシリコンミラーはTRL 5を想定し、予算推定にはPRICE-Hおよび標準的なミッションコスト要因を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強力にレンズ効果を受けるクェーサーにおけるイベントホライズンスケール領域の構造は何か？ そしてそれはブラックホールスピンに何を明らかにするか？
• RQ2 AGNおよび星形成活動のフィードバックプロセスは、z > 2の高赤方偏移銀河団にどのように影響を及ぼすか？
• RQ3 二重AGNおよび周囲環境から明らかになる、超大質量ブラックホールの占有率と合体率は何か？
• RQ4 静止状態の銀河におけるボンドィ半径内での降着はどのように進行するか？ そしてAGNの燃料供給を決定づける要因は何か？
• RQ5 超新星残骸および銀河団の外縁部の詳細な空間構造は何か？ そしてそれは宇宙網をどのように示すか？

主な発見

• AXISは24'×24'の視野で0.4角秒の分解能を達成し、中央の14'×14'領域では0.3角秒の分解能を実現する。
• 1 keVでは7,000 cm²、6 keVでは1,000 cm²の有効面積を有し、チャンドラに比べ10倍の集光面積を実現する。
• ベースラインの検出器設計により、8 μmピクセルと2.5 Mpix/sの読み出しレートを実現し、0.3角秒のサンプリングが可能となり、ピクセルの重なりを低減するとともに、背景ノイズのフィルタリングを向上させる。
• 低地球軌道と高い旋回速度を活用することで、5年間の運用寿命と75％の観測効率を実現する。
• 30％の予備費用を含めた予算推定は、2018年米ドル換算で10億ドル未満であり、プローブクラスの予算上限を満たす。
• ミッションは、スイフトと同様に、一時的現象への迅速な対応を可能とする、広範な時間領域科学を可能にする。