[論文レビュー] SKA-Athena Synergy White Paper

R. Cassano, R. P. Fender+36 more|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2018

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 21被引用数 5

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、アテナX線望遠鏡とスケアールキロメートルアレイ（SKA）電波望遠鏡の間の主要な科学的連携を特定し、それらの統合的性能が、高温で高エネルギーな宇宙の研究を画期的に変える可能性があると提言している。X線帯と電波帯からの多波長データ統合により、宇宙の始まり、ブラックホールの進化、銀河団内のフィードバック、および宇宙の網構造の理解に画期的な進展が可能となり、高エネルギー天体物理学的現象について、前例のない洞察が得られる。

ABSTRACT

The Advanced Telescope for High Energy Astrophysics (Athena) is the X-ray observatory large mission selected by the European Space Agency (ESA), within its Cosmic Vision 2015-2025 programme, to address the "Hot and Energetic Universe" scientific theme (Nandra et al. 2013), and it is provisionally due for launch in the early 2030s. The Square Kilometer Array (SKA) is the next generation radio observatory and consists of two telescopes, one comprised of dishes operating at mid frequencies (SKA1-MID) and located in South Africa, and the other comprised of Log-Periodic antennas operating at low radio frequencies (SKA1-LOW), which will be located in Australia (Braun et al. 2017). The scientific commissioning of the radio telescope is planned to begin in 2021-2022. The SKA-Athena Synergy Team (SAST) has been tasked to single out the potential scientific synergies between Athena and SKA. The astrophysical community was involved in this exercise primarily through a dedicated SKA-Athena Synergy Workshop, which took place on April 24-25, 2017 at SKAO, Jodrell Bank, Manchester. The final result of the synergy exercise, this White Paper, describes in detail a number of scientific opportunities that will be opened up by the combination of Athena and SKA, these include: 1. the Cosmic Dawn; 2. the Evolution of black holes and galaxies; 3. Active galaxy feedback in galaxy clusters; 4. Non-thermal phenomena in galaxy clusters; 5. Detecting the cosmic web; 6. Black-hole accretion physics and astrophysical transients; 7. Galactic astronomy: stars, planets, pulsars and supernovae.

研究の動機と目的

• アテナとSKAの併用による観測能力が生み出す科学的機会を特定・定量すること。
• 多波長連携を用いて、高エネルギー天体物理学、宇宙論、銀河進化分野の主要な未解決問題に取り組むこと。
• 優先科学的課題を強調することで、将来のミッション計画および観測戦略の指針を示すこと。
• 共同の科学的目標を通じて、X線天文と電波天文のコミュニティ間の協力を促進すること。
• 2030年代に運用を開始するアテナと2021–2022年の稼働開始を予定するSKAの科学的成果を最大化するためのロードマップを提供すること。

提案手法

• 2017年4月にジョドリル・バンクで開催された専用ワークショップを通じて、天文学コミュニティが連携の機会を同定するよう参加を促した。
• アテナ（X線）とSKA（電波）の感度と波長カバレッジの補完的性質を分析し、重複する科学的分野を特定した。
• 主要な天の川領域における、共同アテナ-SKA調査の期待される源検出数と赤方偏移深度をモデル化した。
• 既存の理論枠組みとシミュレーションを用いて、宇宙の始まりの信号、フィードバックの兆候、非熱的現象の検出可能性を予測した。
• アテナの高スペクトル分解能とSKAの広視野・高感度イメージングを活かした多波長観測戦略を設計した。
• AGNフィードバック、宇宙の網構造、降着物理学といった具体的な科学的ケースに焦点を当て、実現可能性と影響を示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アテナのX線分光法とSKAの深さのある電波連続スペクトル調査を組み合わせることで、宇宙の始まりと再イオン化の理解がどの程度向上するか？
• RQ2 X線と電波データを併用して、銀河団内の活動銀河核（AGN）フィードバックを検出し、特徴を特定するための最も効果的な観測戦略は何か？
• RQ3 SKAとアテナが連携して、宇宙の網構造における温・高温間銀河間媒体および非熱的粒子の分布をどの程度正確に追跡できるか？
• RQ4 アテナとSKAを併用して観測した場合、ブラックホール降着および天体的遷移現象の多バンド的特徴はどのように異なるか？
• RQ5 X線と電波帯を横断して、パルサー、超新星残骸、星形成といった銀河スケール現象を研究するにあたり、最も有望な共同科学プログラムは何か？

主な発見

• アテナとSKAの連携により、宇宙の始まり期の高赤方偏移天体が、前例のない感度とスペクトル分解能で検出可能になる。
• 共同X線および電波調査により、銀河団内のAGNフィードバックが、空間的・スペクトル的精度を高めてマッピング可能になる。
• 電波ハローとレリクスといったクラスタ内非熱的現象は、X線の熱的放射と併せて分析することで、粒子加速機構の制約が可能になる。
• 熱的X線放射と拡散的電波シンチロトロン放射を併用した宇宙の網構造の検出が、共同アテナ-SKA調査によって現実のものになる。
• アテナとSKAの両望遠鏡を用いることで、ブラックホールの発光やマグネターを含む天体的遷移現象が、より高い頻度で監視され、多バンド診断が可能になる。
• 星形成、パルサー集団、超新星残骸といった銀河内科学分野は、同時にX線と電波で監視されることで、源の特徴付けが向上する。