[論文レビュー] Line Emission Mapper (LEM): Probing the physics of cosmic ecosystems

Ralph Kraft, Maxim Markevitch+108 more|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2022

Superconducting and THz Device Technology被引用数 46

ひとこと要約

LEM は提案中のソフト X 線撮像分光計（分解能 1–2 eV）で、CGM/IGM 発光をマッピングし、銀河形成、フィードバック、およびバリオンフローを研究するための大きな把握を備えています。これにより、銀河や銀河団の周囲の拡散ガスの赤方偏移で識別可能な詳細なトモグラフィーが実現します。

ABSTRACT

The Line Emission Mapper (LEM) is an X-ray Probe for the 2030s that will answer the outstanding questions of the Universe's structure formation. It will also provide transformative new observing capabilities for every area of astrophysics, and to heliophysics and planetary physics as well. LEM's main goal is a comprehensive look at the physics of galaxy formation, including stellar and black-hole feedback and flows of baryonic matter into and out of galaxies. These processes are best studied in X-rays, and emission-line mapping is the pressing need in this area. LEM will use a large microcalorimeter array/IFU, covering a 30x30' field with 10" angular resolution, to map the soft X-ray line emission from objects that constitute galactic ecosystems. These include supernova remnants, star-forming regions, superbubbles, galactic outflows (such as the Fermi/eROSITA bubbles in the Milky Way and their analogs in other galaxies), the Circumgalactic Medium in the Milky Way and other galaxies, and the Intergalactic Medium at the outskirts and beyond the confines of galaxies and clusters. LEM's 1-2 eV spectral resolution in the 0.2-2 keV band will make it possible to disentangle the faintest emission lines in those objects from the bright Milky Way foreground, providing groundbreaking measurements of the physics of these plasmas, from temperatures, densities, chemical composition to gas dynamics. While LEM's main focus is on galaxy formation, it will provide transformative capability for all classes of astrophysical objects, from the Earth's magnetosphere, planets and comets to the interstellar medium and X-ray binaries in nearby galaxies, AGN, and cooling gas in galaxy clusters. In addition to pointed observations, LEM will perform a shallow all-sky survey that will dramatically expand the discovery space.

研究の動機と目的

• 銀河内外の拡散ガス（CGM/IGM）を通じた銀河形成の物理を解明する。
• ソフトX線帯での発光線マッピングを可能にし、星やブラックホールからのフィードバック過程を制約する。
• 大きな把握と高いスペクトル分解能を持つ機器を通じて、さまざまな天体系に対する革新的な観測能力を提供する。
• 標的観測と全スカイ調査の両方を促進し、X線天体物理学の発見領域を拡大する。

提案手法

• 0.2–2 keV バンドで動作する大規模マイクロカロリメータ配列/IFUを用い、1–2 eV のスペクトル分解能を持つ。
• 鉛直入射 Si ミラー設計を用いて、30′×30′の視野と約10′′の角分解能を実現する。
• 約13,806個のアブソーバーピクセルを持つTESマイクロカロリメータ検出器を採用し、中央1 eV分解能、拡張カバレージのために2 eV分解能のHydrasを併用する。
• ドップラー/赤方偏移情報を用いて、明るいミルキーウェイ前景から微弱なCGM/IGM信号を分離する非分散イメージング分光を提供する。
• 浅い全スカイ調査を活用して最適な深部CGM/IGM領域を特定し、発見空間を拡張する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高解像度で非分散のX線分光がCGMとIGMをどのようにマッピングし、銀河形成の物理をどのように制約できるか？
• RQ2 0.2–2 keV バンドで1–2 eV の分解能は、銀河外エミッションとミルキーウェイ前景をどの程度まで分離できるか？
• RQ3 O vii、O viii、Fe xvii の空間的に分解された線マップは、銀河ハローのガス温度、密度、金属量、動力学について何を明らかにするか？
• RQ4 LEM の豊富さと速度の測定は、銀河とクラスターのフィードバック、加熱、冷却、化学富化のモデルにどのような情報を与えるか？
• RQ5 全スカイの浅い調査は、CGM/IGM の深部露出のターゲット選択と発見空間にどのようなリターンをもたらすか？

主な発見

• LEM の 2 eV スペクトル分解能は、ミルキーウェイ前景からの微弱な CGM/IGM 発光を分離し、z≥0.01 のハロー分布を可能にする。
• シミュレーションは、O vii、O viii、Fe xvii のCGM/IGM 発光を大半の半径までマッピングでき、フィードバック物理を制約できることを示す。
• 大きな把握と中央配列の 1 eV により、速度測定と明るい銀河ハローおよび SNR の線診断の解像が可能。
• LEM による全スカイ浅い調査は広い発見空間を開き、CGM/IGM 研究のための最適な深部領域ターゲットを特定する。
• LEM はグループ/クラスターのICM における豊富さと富化史を定量化し、R200 までのガス運動をマップする。
• ミッション設計は 2032 年の打ち上げを目指し、XRISM/Athena の系譜を活用してソフトX線の線エミッション研究を進展させる。