[論文レビュー] Science with the Ultraviolet Explorer (UVEX)

S. R. Kulkarni, Fiona A. Harrison+54 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2021

Photocathodes and Microchannel Plates参考文献 2被引用数 33

ひとこと要約

UVEX は dual FUV/NUV 幅広域イメージングと広帯域分光を備えた提案 MIDEX ミッションで、深い全スカイ UV サーベイ、標的分光観測、迅速な ToO フォローアップを実施し、低質量・低金属性銀河とダイナミックな UV 空に対処します。

ABSTRACT

UVEX is a proposed medium class Explorer mission designed to provide crucial missing capabilities that will address objectives central to a broad range of modern astrophysics. The UVEX design has two co-aligned wide-field imagers operating in the FUV and NUV and a powerful broadband medium resolution spectrometer. In its two-year baseline mission, UVEX will perform a multi-cadence synoptic all-sky survey 50/100 times deeper than GALEX in the NUV/FUV, cadenced surveys of the Large and Small Magellanic Clouds, rapid target of opportunity followup, as well as spectroscopic followup of samples of stars and galaxies. The science program is built around three pillars. First, UVEX will explore the low-mass, low-metallicity galaxy frontier through imaging and spectroscopic surveys that will probe key aspects of the evolution of galaxies by understanding how star formation and stellar evolution at low metallicities affect the growth and evolution of low-metallicity, low-mass galaxies in the local universe. Such galaxies contain half the mass in the local universe, and are analogs for the first galaxies, but observed at distances that make them accessible to detailed study. Second, UVEX will explore the dynamic universe through time-domain surveys and prompt spectroscopic followup capability will probe the environments, energetics, and emission processes in the early aftermaths of gravitational wave-discovered compact object mergers, discover hot, fast UV transients, and diagnose the early stages of stellar explosions. Finally, UVEX will become a key community resource by leaving a large all-sky legacy data set, enabling a wide range of scientific studies and filling a gap in the new generation of wide-field, sensitive optical and infrared surveys provided by the Rubin, Euclid, and Roman observatories. This paper discusses the scientific potential of UVEX, and the broad scientific program.

研究の動機と目的

• Astro2020 に記載された Galaxy Growth および Dynamic Universe の優先事項に対処する、広視野の紫外線施設を動機づける。
• GALEX より数十等級深い深い全スカイ UV サーベイを可能にし、迅速な ToO フォローアップを追加する。
• 若い低金属性銀河と一過性事象の分光観測能力を提供する。
• 今後の optical/IR 調査を補完する恒久的な UV データアーカイブを作成する。
• 広範な UV 天体物理学領域にわたるコミュニティ主導の科学を支援する。

提案手法

• FUV (1390–1900 Å) および NUV (2030–2700 Å) の広視野イメージャを同時に動作させる。
• 1150–2650 Å をカバーする長スリット分光器、R ≥ 1000。
• UV 最適化コーティングを施した backside-illuminated CMOS ディテクターと、同時撮影のためのダイクロ分光ビームスプリッターを搭載。
• シャッターなしのローリング読み出しで約99%の露出デューティサイクルと機上データ圧縮。
• 6時間ごとの地上通信により、平均約3時間の ToO 応答時間を実現。
• バックグラウンドを最小化し観測効率を最大化するための軌道設計（楕円軌道 17 Re × 15 Re、13.7 日周期）。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 100 Mpc 以内の低質量・低金属性銀河のカウントと理解を深めるには、深く広い領域の UV サーベイをどう活用できるか？
• RQ2 極端に金属不足の若い銀河の rest-frame UV で、UVEX がどんな星間と星形成の特徴を測定できるか？高赤方偏移銀河のモデルを固定する手掛かりとして。
• RQ3 UVEX は時系列 UV 天文学と一過性イベントおよび GW 対応物の迅速な分光観測をどう可能にするか？
• RQ4 距離と星形成測定のデ degeneracies を崩すうえで、Rubin、Euclid、Roman を補完する UV イメージングの役割は何か？
• RQ5 将来のコミュニティ調査のための UV アーカイブを通じて、UVEX はどのようなレガシーサイエンスを実現するのか？

主な発見

• UVEX は外宇宙スカイ全域で FUV および NUV の双方で GALEX より >50× 深く、mUV ~ 25、100 Mpc の典型的な低質量銀河に対して SNR ≥ 5 となるように設計されている。
• このミッションは強い星形成を示す低金属性銀河の分光フォローアップを可能にし、多数の対象の rest-frame UV スペクトルを取得して初期宇宙研究のテンプレートを改善する。
• UVEX イメージングは、今後の Rubin および Euclid 調査と組み合わせることで、Balmer ブレークと Lyman ブレークを区別する重要な UV 光度測定を提供し、物理的性質の測定を精練する。
• 提案されたベースラインプログラムには、深い全スカイ UV イメージング、特定の Magellanic Cloud 調査、GW イベントおよび一過性天体の ToO フォローアップを含み、データ待機時間は 6.5 時間未満。
• UVEX は近傍の LMLZ銀河 (M* ~ 10^6–10^9 Msun) の数百万人規模、および低金属系のスペクトルを数千にわたって解明することを目指し、金属欠乏環境における星形成とフィードバックの局所実験室を飛躍的に拡張する。