[論文レビュー] The 2016 Super Pressure Balloon flight of the Compton Spectrometer and Imager

Carolyn Kierans, Steven E. Boggs+12 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2017

Particle Detector Development and Performance被引用数 7

ひとこと要約

2016年のコンプトン分光計およびイメージャー（COSI）のスーパープレスャーバルーン飛行は、中緯度で46日間の浮揚に成功し、高純度ゲルマニウム検出器を搭載したコンパクトなコンプトン望遠鏡を用いて、軟ガンマ線源の初の長期間にわたる全天空イメージングを実現した。主な成果として、カクブネビュラ、セントaurus A、サイグルスX-1、明るい長周期のガンマ線バースト（GRB 160530A）、および2つの相対論的電子降下（REP）イベントの検出が挙げられ、これらは偏光に敏感な全天空イメージングガンマ線望遠鏡による初の検出である。

ABSTRACT

The Compton Spectrometer and Imager (COSI) is a balloon-borne, soft-gamma ray imager, spectrometer, and polarimeter with sensitivity from 0.2 to 5 MeV. Utilizing a compact Compton telescope design with twelve cross-strip, high-purity germanium detectors, COSI has three main science goals: study the 511 keV positron annihilation line from the Galactic plane, image diffuse emission from stellar nuclear lines, and perform polarization studies of gamma-ray bursts and other extreme astrophysical environments. COSI has just completed a successful 46-day flight on NASA's new Super Pressure Balloon, launched from Wanaka, New Zealand, in May 2016. We present an overview of the instrument and the 2016 flight, and discuss COSI's main science goals, predicted performance, and preliminary results.

研究の動機と目的

• 銀河のバルジおよびディスクからの511 keVの陽電子消失ラインをイメージングし、その空間的分布を解明し、星間核合成のトレーサーと比較する。
• 26Al や 60Fe などの放射性核種からの拡散放射をマッピングし、その放射率比を制約し、大質量星や超新星における核合成を探る。
• ガンマ線バーストおよびコンパクト天体（例：カクブネビュラ、サイグルスX-1）の偏光を測定し、放射メカニズムおよび磁場構造に関する知見を提供する。
• 全天空イメージングと偏光に敏感なガンマ線望遠鏡を用いて、相対論的電子降下（REP）イベントを初めて研究する。
• COSI機器の性能をNASAの新規スーパープレスャーバルーンプラットフォーム上で検証し、将来的な超長期間バルーン科学に向けた基盤を確立する。

提案手法

• 12個のクロスストリップ型高純度ゲルマニウム検出器を用い、複数の相互作用を通じて入射光子エネルギー、相互作用位置、コンプトン散乱角を再構築した。
• コンプトン望遠鏡の幾何学的配置を活用し、連続するコンプトン散乱および光電効果吸収の順序を追跡することで、光子の入射方向を特定した。
• コンプトン散乱の固有の偏光応答を活用し、大角度散乱および低エネルギー帯域で最適化された偏光感度を実現した。
• 46日間の飛行中に生成された露出マップを用い、356 keVでのシミュレーテッド有効面積を基に全天空イメージングとスペクトル解析を実施した。
• GRB やマイクロバーストなどの一時的イベントをリアルタイムでトリガーし、飛行中に解析を実施。見逃されたイベントについては、後続で生データを分析した。
• 1秒間隔の時間分解光 light curve を用いて、DREP やマイクロバースト型のREPイベントを同定および特徴付けた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 511 keVの陽電子消失ラインの空間的分布が、26Alの分布と一致するか。これは、星間核合成における共通の起源を示唆するか？
• RQ2 ガンマ線バーストおよびコンパクト天体（例：カクブネビュラ）の偏光度はどの程度か。これにより、放射モデルや磁場構造の制約が得られるか？
• RQ3 高エネルギー分解能および高角度分解能を持つ気球搭載コンプトン望遠鏡が、26Al や 60Fe からの拡散核線を十分な感度でイメージングし、放射率比を測定できるか？
• RQ4 相対論的電子降下イベントのスペクトル的・時間的特徴は、軟ガンマ線帯でどのように観測されるか？
• RQ5 中緯度での超長期間バルーン飛行が、イメージングおよび偏光能力を併せ持つことで、軟ガンマ線全天スカイの深さある全天空調査をどの程度可能にするか？

主な発見

• COSIはNASAのスーパープレスャーバルーン上で46日間の浮揚を成功裏に完了し、中緯度バルーンミッションにおける新記録を樹立した。
• 機器は軟ガンマ線帯でカクブネビュラ、セントaurus A、サイグルスX-1を検出しており、イメージングおよび分光能力を確認した。
• GRB 160530A は COSI で検出され、Konus-Wind およびインタープランェタリー・ネットワークでも確認された。偏光解析は進行中で、放射メカニズムの解明を目的としている。
• DREPおよびマイクロバースト型の2つの相対論的電子降下（REP）イベントが観測され、偏光に敏感な全天空ガンマ線イメージャーによる初の検出となった。
• 356 keVにおける露出マップは広範な天の川帯域および明るい天体をカバーしており、天の川平面部の深さある積算を可能にした。
• 初期のスペクトルおよびイメージング結果から、拡散核線への高い感度が示唆されており、511 keV放射および26Al/60Feの放射率比の解析が継続中である。