[論文レビュー] Observing the sky at extremely high energies with the Cherenkov Telescope Array: Status of the GCT project

Sol, H.+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

GCTプロジェクトは、5〜300 TeVの非常に高エネルギー領域の天の川を観測することを目的とした、4メートルのシュバルツシルト＝カウダー望遠鏡であるCherenkov Telescope Array（CTA）の進捗状況を提示する。2015年に初光を記録し、2017年の観測キャンペーンを成功裏に終え、設計および性能の妥当性を検証した。現在、CTA南アレイに将来導入を予定しているCHEC-Sカメラのプロトタイプは、高度な試験段階に移行している。

ABSTRACT

The Cherenkov Telescope Array is the main global project of ground-based gamma-ray astronomy for the coming decades. Performance will be significantly improved relative to present instruments, allowing a new insight into the high-energy Universe [1]. The nominal CTA southern array will include a sub-array of seventy 4 m telescopes spread over a few square kilometers to study the sky at extremely high energies, with the opening of a new window in the multi-TeV energy range. The Gamma-ray Cherenkov Telescope (GCT) is one of the proposed telescope designs for that sub-array. The GCT prototype recorded its first Cherenkov light on sky in 2015. After an assessment phase in 2016, new observations have been performed successfully in 2017. The GCT collaboration plans to install its first telescopes and cameras on the CTA site in Chile in 2018-2019 and to contribute a number of telescopes to the subsequent CTA production phase.

研究の動機と目的

• 10 TeVを超える非常に高エネルギー（EHE）の空を探索する次世代地上型ガンマ線望遠鏡をCTAのために開発すること。
• ガンマ線天文における小型望遠鏡（SST）に向けた画期的なシュバルツシルト＝カウダー光学設計の実現可能性と性能を検証すること。
• GCTプロトタイプの技術的成熟度を証明し、望遠鏡構造、指向制御システム、およびCHEC-MおよびCHEC-Sカメラを含め、CTA南アレイへの統合に向けた準備をすること。
• CTAの量産準備段階および量産段階に備え、観測所に少なくとも25台のGCT望遠鏡をインライン貢献として提供すること。

提案手法

• 大型視野（8°）とコンactな焦点距離を実現する二重ミラー式シュバルツシルト＝カウダー光学設計を採用し、軽量で安定した望遠鏡構造を実現すること。
• 1 GSa/sのサンプリングレートで全波形デジタイゼーションを可能にする、2048ピクセルの高速・高分解能カメラ（CHEC）を実装。このカメラにはマルチアノードフォトマルチプライヤー管（MAPMT）およびシリコンフォトマルチプライヤー（SiPM）が使用され、高精度な信号取得を実現。
• フランス・ムドンに設置されたGCTプロトタイプに、CHEC-MおよびCHEC-Sカメラのプロトタイプを搭載し、地上試験および空の観測を実施すること。
• 大気シャワーのモデル化と実測データの比較を通じて、装置の妥当性を検証するため、モンテカルロシミュレーション（CORSIKAおよびsim_telarray）を用いること。
• 2017年の観測キャンペーン中に、遠隔操作による望遠鏡およびカメラの制御を実施し、リアルタイムでのデータ取得およびシステム診断を可能にした。
• 予測モデルとリアルタイム監視（例：ガイドカメラ）を統合し、サブアーセコンドの指向精度を達成。目標は、校正後で<7” rmsとする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シュバルツシルト＝カウダー望遠鏡設計は、10 TeVを超える非常に高エネルギーのガンマ線を検出するための必要な角分解能と感度を達成できるか？
• RQ2 GCTプロトタイプは、大気シャワーからのチェレンコフ光を正しく記録・再構成できており、シミュレーションのベンチマークと一致しているか？
• RQ3 SiPMと高度なASIC（TARGET 5）を搭載したCHEC-Sカメラは、初期のCHEC-Mプロトタイプに見られる動的レンジおよび時間分解能の制限を克服できるか？
• RQ4 実際の空の条件下で、GCTの指向システムの性能はいかほどか？また、<7” rmsの指向精度を達成できるか？
• RQ5 2017年の実測データは、シャワー像のパラメータ（長さ・幅）について、モンテカルロシミュレーションとどの程度一致しているか？

主な発見

• 2015年11月26日、GCTプロトタイプは、大気シャワーからのチェレンコフ光を初めて空で記録し、シュバルツシルト＝カウダー望遠鏡が大気シャワーを検出する初の例となった。
• 2017年の観測キャンペーンでは、さまざまな空の状態下で、ソース追尾あり・なしの両方の条件下で数千件の宇宙線シャワーを正常に記録し、システムの安定性と機能性を確認した。
• 実測データはモンテカルロシミュレーションと良好に一致しており、特にシャワー像の「長さ－幅」平面上の分布において、装置の応答性および再構成能力の妥当性が裏付けられた。
• 校正前の指向精度は210”未満を達成しており、<7” rmsの校正後目標を満たす高い機械的安定性を示した。
• より洗練されたASICとSiPM技術を備えたCHEC-Sカメラプロトタイプは、現在、厳密なラボ試験の段階にあり、動的レンジおよび時間分解能においてCHEC-Mプロトタイプを上回る性能を示す見込みである。
• CTAのSSTサブアレイ向けに最適化された最終的なGCT設計は、量産に向けた準備が整っており、GCT-01望遠鏡はまもなくチリのCTA施設に設置される予定である。