[論文レビュー] Cherenkov Telescope Array: The Next Generation Gamma-ray Observatory

The CTA Consortium, Ong, R.|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 2

ひとこと要約

チェレンコフ望遠鏡アレイ（CTA）は、2つの半球にまたがるイメージング大気チェレンコフ望遠鏡を用いて、現在の機器よりも最大10倍の感度を達成する次世代のガンマ線天文台を提案している。南半球に99台（4台のLST、25台のMST、70台のSST）、北半球に19台を配置することで、CTAは数百もの新しいTeVガンマ線源を発見し、宇宙線の起源を解明し、20 GeVから300 TeVのエネルギー範囲でWIMPとされる暗黒物質の検出を、未曾有の感度で探る。

ABSTRACT

The Cherenkov Telescope Array (CTA) will be the next-generation gamma-ray observatory, investigating gamma-ray and cosmic ray astrophysics at energies from 20 GeV to more than 300 TeV. The observatory, consisting of large arrays of imaging atmospheric Cherenkov telescopes in both the southern and northern hemispheres, will provide full-sky coverage and will achieve a sensitivity improved by up to an order of magnitude compared to existing instruments such as H.E.S.S., MAGIC and VERITAS. CTA is expected to discover hundreds of new TeV gamma- ray sources, allowing it to significantly advance our understanding of the origin of cosmic rays, to probe much larger distances in the universe, and to search for WIMP dark matter with unprecedented sensitivity in TeV mass range. The development of CTA is being carried out by a worldwide consortium of scientists from 32 countries. Consortium scientists have developed the core scientific programme of CTA and institutes of the Consortium are expected to provide the bulk of the CTA components. The construction of CTA is overseen by the CTA Observatory that will in the future manage observatory operations, the guest observer programme, and data dissemination. This talk will review the scientific motivation for CTA, focusing on the key science projects that form the core programme of research. The talk will outline the design of CTA, including the science drivers, overall concept, performance optimization, and array layouts. The current status of CTA, including sites, prototype telescope progress, and steps forward will also be described.

研究の動機と目的

• H.E.S.S.、MAGIC、VERITASなどの既存機器よりも顕著に向上した感度を持つ次世代の天文台を構築することで、非常に高エネルギーのガンマ線天文学を前進させること。
• 宇宙線の起源、暗黒物質の性質、および銀河間放射場の強度といった、根本的な天体物理学および素粒子物理学の問題に取り組むこと。
• 国際的な協働体制と公式なガバナンス構造、データ共有フレームワークを備えた、グローバルに調整された天文台として、全天カバレッジとオープンアクセスの科学を実現すること。
• Fermi、AGILE、HAWC、および将来のニュートリノおよび重力波観測施設と統合することで、スケーラブルなマルチメッセンジャーキャパシティを構築すること。
• 32カ国にわたる国際的協働を含む、プロトタイプ開発、ソフトウェアパイプライン、国際共同研究を通じて、持続可能な科学的・技術的基盤を確立すること。

提案手法

• 大型望遠鏡（LST）は単一ミラー（デイヴィス・コトライト）型設計で低エネルギー感度を確保、中型望遠鏡（MST）は単一ミラー（DC）型と二重ミラー（シュバルツシルト＝コウダー）型の両方の設計を採用、小型望遠鏡（SST）は二重ミラー構成を採用する。
• 高精度なタイミングと画像再構成を実現するため、カメラシステムにフォトンマルチプライヤー管（PMT）およびシリコンフォトマルチプライヤー（Si-PM）を用い、高速読み出し電子回路（1 GS/s ASICまたは250 MS/s Flash-ADC）を統合する。
• 二か所の配置方式を採用：南半球（チリのパラナル）と北半球（カナリア諸島のラ・パルマ）に配置することで、全天カバレッジを確保する。
• 科学的要請に基づいた設計を通じて、アレイの配置と性能を最適化し、現在の機器比で10倍の感度向上と1度未満の角分解能を達成する性能目標を設定する。
• LST、MST-DC、MST-SC、SST-1M、SST-2M-GCT、SST-2M-ASTRIの全タイプの望遠鏡について、複数の国際的施設で広範なプロトタイピングと試験を実施する。
• CTA天文台（CTAO）を法的・運用的実体として設立し、建設、運用、ゲストオブザーバープログラム、データ共有を管理する。国代表者による評議会によるガバナンスを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙における高エネルギー粒子加速の主な場所とメカニズムは何か。特に活動銀河核や超新星残骸においては？
• RQ2 相対論的粒子は、銀河内および銀河間媒体におけるフィードバック過程にどのように影響を与えるか？
• RQ3 暗黒物質の性質は何か。CTAは、TeVエネルギー範囲でWIMPの散乱または崩壊信号を、未曾有の感度で検出できるか？
• RQ4 銀河間背景光の強度と空間的分布は何か。また、高エネルギーガンマ線の伝播にどのように影響を与えるか？
• RQ5 Fermi、HAWC、ニュートリノ、重力波観測施設と組み合わせた際、CTAの多波長およびマルチメッセンジャーシナergyが、発見の可能性をどのように高めるか？

主な発見

• CTAは、H.E.S.S.、MAGIC、VERITASなどの既存機器よりも最大10倍の感度向上を達成する設計となっており、より弱く遠方の源の検出が可能になる。
• この天文台は、現在の150個のVHEガンマ線源を大幅に超える、数百もの新しいTeVガンマ線源を発見する予定である。
• 2017年6月時点で、LST、MST、SSTの3タイプのプロトタイプ望遠鏡の構造は完成またはほぼ完了に達しており、プロトタイプカメラもほぼ完成に近づいていた。
• 2016年にCTAのスケールダウン実装（2億5千万ユーロ、FTEを含む）が定義され、2018年に建設開始が予定され、2020年代半ばに全運転が見込まれた。
• ベースライン構成では、南アレイに99台（4台のLST、25台のMST、70台のSST）、北アレイに19台（4台のLST、15台のMST）を配置する。スケーラビリティにより、完全な展開前の初期科学が可能である。
• CTA天文台（CTAO）は2014年に正式に設立され、建設、運用、データ共有、ゲストオブザーバープログラムを管理する。これにより、オープンかつ協働的な科学が保証された。