[論文レビュー] POEMMA (Probe of Extreme Multi-Messenger Astrophysics) design

Angela V. Olinto, J. H. Adams+43 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 23被引用数 11

ひとこと要約

POEMMAは、地球の大気中の広大な空気シャワーを介して20 EeVを超える超高エネルギー宇宙線（UHECR）および20 PeVを超える宇宙ニュートリノを検出することを目的とした、NASAのプローブクラスのミッションである。525 kmの高度で、紫外線蛍光および光学チェレンコフ検出を併用した二重フォトメータを搭載した同一の宇宙船二基を用い、ステレオ観測と一時的変動源の追跡を可能にし、極限エネルギーにおけるマルチメッセンジャー天文学を顕著に前進させる。

ABSTRACT

The Probe Of Extreme Multi-Messenger Astrophysics (POEMMA) is a NASA Astrophysics probe-class mission designed to observe ultra-high energy cosmic rays (UHECRs) and cosmic neutrinos from space. Astro2020 APC white paper: Medium-class Space Particle Astrophysics Project.

研究の動機と目的

• 20 EeVを超える超高エネルギー宇宙線（UHECR）の起源および組成を解明する。
• ブラックホール合体やガンマ線バーストなどの極端な天体的変動源からの高エネルギーニュートリノ放射を検出する。
• 数十ペブのエネルギーから数十ゼットアのエネルギーにわたる宇宙ニュートリノ観測を通じて、標準模型を超える素粒子物理学を探る。
• 一時的発光現象および高エネルギーニュートリノバーストに対するターゲット・オブ・オポーチュニティ（TOM）追跡を可能にする。
• 大気の動態、流れ星、および核子的粒子（nuclearites）を含むレア粒子を、マルチメッセンジャー信号を用いて研究する。

提案手法

• 525 kmの高度で、緩やかな編隊をとる二基の同一の観測機を配置し、広大な空気シャワー（EAS）をモノおよびステレオモードで観測する。
• 4メートルのスコット型望遠鏡を用い、45°の視野角を持つ光学系と、同時に紫外線蛍光（1 μsの時間分解能）と光学チェレンコフ（20 nsの時間分解能）を検出可能なハイブリッドフォトメータ焦点面を備える。
• ほぼスカイライト（ナディア）方向から、ナディアから約47°の方向まで指向可能であり、チェレンコフ放射を観測するための地球の縁（リム）をモニタリングし、タウニュートリノ誘発シャワーおよびUHECRからの放射を検出可能である。
• 高速紫外カメラを用いて蛍光信号を、超高速光学カメラを用いて相対論的シャワーパarticleが発するチェレンコフ光を検出する二カメラ方式を採用する。
• 全天空をカバーする観測により、関心のあるエネルギー範囲で高統計的UHECRおよびニュートリノ検出を実現する。
• クラスBミッション基準に適合するシステム工学およびミッション保証を統合し、GSFC IDCおよびMSFC ECOのパrametricモデルに基づくコストモデリングを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 20 EeVを超える超高エネルギー宇宙線の起源および加速機構は何か？
• RQ2 合体するブラックホール、中性子星、白色矮星の連星系は、20 PeVを超える高エネルギーニュートリノを生成するか？
• RQ3 ブラークゼルの活動増大期やガンマ線バーストの際、高エネルギーニュートリノ放射の性質は何か？
• RQ4 UHECRは、銀河系および銀河間磁場および地球の大気にどのように相互作用するか？
• RQ5 POEMMAは、極限エネルギーにおける宇宙ニュートリノスペクトルの観測を通じて、標準模型を超える物理学を検出可能か？

主な発見

• POEMMAの全ライフサイクルコストは、FY18ドル換算で0.94億ドルから1.05億ドルの間と推定され、第二の宇宙船は初号機の25％のコストで実現可能である。これは、システムの再利用とミッション保証コストの削減による。
• ミッションは、クラスBミッションにおける同一宇宙船の二重化に従う歴史的傾向に沿い、第二ユニットのコスト増加が25％に抑えられるように設計されている。
• フォトメータの4メートルのスコット型光学系と45°の視野角は、すべての科学的要件を満たしており、既存技術で製造可能である。
• シャッタードアシステムは、最も高いミッションリスクであると特定されたが、初期設計段階で代替指向戦略の評価が進行中である。
• 単一宇宙船のコスト対質量比は、過去のミッションのトレンドライン上に位置し、二ユニット構成の全ミッションは、非イメージングミッションのトレンドラインをわずかに下回っている。
• 2023年のフェーズA開始および2029年の打ち上げを想定したミッションスケジュールは、モジュラー設計と同一システムの採用により、実現可能であると判断された。