[論文レビュー] The Black Hole Evolution and Space Time (BEST) Observatory

H. Krawczynski, Jack Tueller+11 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2012

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

BEST観測所は、3000 cm²の有効面積を持つミラーを備えた次世代X線ミッションを提案しており、5–70 keVの範囲で画期的なハードX線イメージング分光測定（5–70 keV）と、2–70 keVのブロードバンドな偏光測定を可能にする。これにより、降着円盤の力学的挙動を解明し、ブラックホール周辺の時空曲率を検証するとともに、宇宙の歴史にわたる超大質量ブラックホールの進化を、NuSTARの15倍、GEMSの7倍高い感度で追跡する。

ABSTRACT

In this white paper, we discuss the concept of a next-generation X-ray mission called BEST (Black hole Evolution and Space Time). The mission concept uses a 3000 square centimeter effective area mirror (at 6 keV) to achieve unprecedented sensitivities for hard X-ray imaging spectrometry (5-70 keV) and for broadband X-ray polarimetry (2-70 keV). BEST can make substantial contributions to our understanding of the inner workings of accreting black holes, our knowledge about the fabric of extremely curved spacetime, and the evolution of supermassive black holes. BEST will allow for time resolved studies of accretion disks. With a more than seven times larger mirror area and a seven times wider bandpass than GEMS, BEST will take X-ray polarimetry to a new level: it will probe the time variability of the X-ray polarization from stellar mass and supermassive black holes, and it will measure the polarization properties in 30 independent energy bins. These capabilities will allow BEST to conduct tests of accretion disk models and the underlying spacetimes. With three times larger mirror area and ten times better angular resolution than NuSTAR, BEST will be able to make deep field observations with a more than 15 times better sensitivity than NuSTAR. The mission will be able to trace the evolution of obscured and unobscured black holes in the redshift range from zero to six, covering the most important epoch of supermassive black hole growth. The hard X-ray sensitivity of BEST will enable a deep census of non-thermal particle populations. BEST will give us insights into AGN feedback by measuring the particle luminosity injected by AGNs into the interstellar medium (ISM) of their hosts, and will map the emission from particles accelerated at large scale structure shocks. Finally, BEST has the potential to constrain the equation of state of neutron stars (NS).

研究の動機と目的

• 赤方偏移z=0からz=6にかけて、宇宙の歴史にわたる超大質量ブラックホールの進化を調査する。
• ブラックホール周辺の極端な重力場における降着円盤の物理学および時空の性質を解明する。
• X線偏光の時間変動を測定することで、降着円盤モデルおよび一般相対性理論の強力な重力場下での検証を図る。
• 星間媒体への粒子放射度をマッピングすることで、活動銀河核からのフィードバックを制約する。
• 高感度X線観測を通じて、中性子星の状態方程式の制約を強化する。

提案手法

• 6 keVで3000 cm²の有効面積を持つミラーを用い、深宇宙のハードX線感度を実現する。
• 2–70 keVの範囲でブロードバンドX線偏光測定を実施し、時間分解可能な偏光測定を30個の独立したエネルギーチャンネルで行う。
• NuSTARよりも3倍高い角分解能を達成し、深宇宙観測において感度を15倍向上させる。
• 時間分解分光測定および偏光測定を実施し、恒星質量ブラックホールおよび超大質量ブラックホール系の変動を研究する。
• 高度な計器を用いて、大規模構造における非熱的粒子集団および衝撃加速放射をマッピングする。
• 複数のエネルギー帯域からのデータ統合により、AGN-ホスト系における粒子放射度およびフィードバック効率を測定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブラックホール周辺の降着円盤は、宇宙の歴史にわたってどのように進化するのか。また、それらのX線偏光シグネチャーは、時空幾何学に何を明らかにするか。
• RQ2 恒星質量および超大質量ブラックホールからのX線の時間的変動する偏光特性は何か。それらは降着円盤モデルにどのような制約を課えるか。
• RQ3 AGNは非熱的粒子を通じて、星間媒体にどの程度のエネルギーを注入しているのか。フィードバックは銀河進化において果たす役割は何か。
• RQ4 高感度X線観測によって、中性子星の状態方程式にどのような制約を課すことができるか。
• RQ5 赤方偏移z=0からz=6にかけて、遮蔽されたとされないブラックホールの性質はどのように進化するのか。また、ブラックホール形成のピーク期に、それらの成長を駆動する要因は何か。

主な発見

• ミラー面積が3倍に拡大され、角分解能が向上することで、BESTは深宇宙観測においてNuSTARの15倍以上の感度を達成する。
• GEMSに比べ、ミラー面積が7倍大きく、エネルギー帯域が7倍広いため、BESTは30個のエネルギーチャンネルで初めて時間分解可能なブロードバンドX線偏光測定を実現する。
• X線偏光を30個の独立したエネルギーチャンネルで測定することで、降着円盤モデルおよび強力場重力効果の詳細な検証が可能になる。
• BESTはAGNにおける非熱的粒子集団の深宇宙的アンケート調査を実施し、星間媒体へのフィードバック放射度の直接測定を可能にする。
• 大規模構造の衝撃で加速された粒子からの放射をマッピングすることで、宇宙線加速機構に関する新たな知見が得られる。
• 赤方偏移0から6の範囲でブラックホール系を観測することで、超大質量ブラックホール成長の最も活発な段階における、ブラックホールとそのホスト銀河の共進化を追跡する。