[論文レビュー] STROBE-X: X-ray Timing and Spectroscopy on Dynamical Timescales from Microseconds to Years

Paul S. Ray, Zaven Arzoumanian+157 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 37

ひとこと要約

STROBE-Xは、XRCA、LAD、WFMの3つの機器で高スループットのX線タイミングとブロードバンド分光を提供する探査機クラスの概念で、ブラックホールのスピン、ニュートロン星の状態方程式、重力波源の counterparts をマイクロ秒から年スケールで研究します。

ABSTRACT

We present the Spectroscopic Time-Resolving Observatory for Broadband Energy X-rays (STROBE-X), a probe-class mission concept selected for study by NASA. It combines huge collecting area, high throughput, broad energy coverage, and excellent spectral and temporal resolution in a single facility. STROBE-X offers an enormous increase in sensitivity for X-ray spectral timing, extending these techniques to extragalactic targets for the first time. It is also an agile mission capable of rapid response to transient events, making it an essential X-ray partner facility in the era of time-domain, multi-wavelength, and multi-messenger astronomy. Optimized for study of the most extreme conditions found in the Universe, its key science objectives include: (1) Robustly measuring mass and spin and mapping inner accretion flows across the black hole mass spectrum, from compact stars to intermediate-mass objects to active galactic nuclei. (2) Mapping out the full mass-radius relation of neutron stars using an ensemble of nearly two dozen rotation-powered pulsars and accreting neutron stars, and hence measuring the equation of state for ultradense matter over a much wider range of densities than explored by NICER. (3) Identifying and studying X-ray counterparts (in the post-Swift era) for multiwavelength and multi-messenger transients in the dynamic sky through cross-correlation with gravitational wave interferometers, neutrino observatories, and high-cadence time-domain surveys in other electromagnetic bands. (4) Continuously surveying the dynamic X-ray sky with a large duty cycle and high time resolution to characterize the behavior of X-ray sources over an unprecedentedly vast range of time scales. STROBE-X's formidable capabilities will also enable a broad portfolio of additional science.

研究の動機と目的

• ブラックホールの質量スペクトル全体（恒星質量ブラックホールから超大質量ブラックホール）周りの内在すべき流れを測定しスピンをマッピングする。
• 回転駆動および蓄積型ニュートロン星を調査することによって高密度物質の状態方程式を制約する。
• 重力波源および他の一過性現象の電磁的 counterparts を特定・研究し、時域・マルチメッセージ文脈での協調を行う。

提案手法

• XRCA（0.2–12 keV、約100 nsのタイミング、スペクトル分解能85–175 eV）、LAD（2–30 keV、200–300 eV分解能）、WFM（2–50 keV、トリガー用の広視野）の大収集面と高タイミング分解能を備えた3機器を用いる。
• X線リバーブレーションマッピングと高周波QPO解析を用いてブラックホールのスピンを測定し、コーラのジオメトリを探る。
• 全空観測モニターを活用して瞬時現象を検出し、指向性観測のトリガーを提供して迅速な対応とマルチメッセージ連携を可能にする。
• 成熟した技術（NICERに触発されたXRCA、LADのシリコンドリフト検出器、WFMのマイクロチャネルプレートコリメーター）と2031年打ち上げを目標としたPhase A研究タイムラインに依拠する。
• タイミング-スペクトル技法を適用して、吸収、反射、連続成分を蓄積流に区別する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 蓄積ブラックホール（恒星質量ブラックホールと超大質量ブラックホール）のスピン分布はどのようで、形成と成長のシナリオをどのように情報づけるか。
• RQ2 広範な源のサンプルにわたるニュートロン星タイミングと分光によって制約される高密度物質の状態方程式は何か。
• RQ3 X線タイミングとリバーブレーションマッピングはブラックホール周辺のコロナの幾何と内側の蓄積円盤をどのように明らかにするか。
• RQ4 電磁的 counterparts および重力波源の前震・前駆現象は何であり、広視野X線モニタリングはそれらの発見と特徴づけをどう支援できるか。
• RQ5 STROBE-Xはマイクロ秒から年までの時間領域・多波長・マルチメッセージ天文学をどのように実現するか。

主な発見

• STROBE-XはソフトバンドでNICER、ハードバンドでRXTEと比較して1桁以上の実効面積を向上させ、同時にスペクトルと変動性の研究を可能にする。
• STROBE-XによるX線リバーブレーションマッピングは鉄Kの遅延時間を測定し、恒星質量および超大質量ブラックホールを超える内側の蓄積流の幾何とコロナ特性を制約する。
• HFQPO検出と連続フィッティング、反射/リバーブレーション、HFQPOsなどの複数のスピン測定技術により、ブラックホールスピンのクロスキャリブレーションが進み、系統的一貫性の不確実性が低減される。
• Wide Field Monitor（WFM）はトランジェントを検出し、指向観測のトリガーを提供して潮汐破壊イベントやマルチメッセージ counterparts の発見領域を拡大する。
• STROBE-Xはニュートロン星のスピンと質量-半径関係を測定し、超高密度物質の状態方程式のマッピングを支援するとともに、重力波源の counterparts を特定することを目指す。