[論文レビュー] The Compton Spectrometer and Imager

John A. Tomsick, Andreas Zoglauer+22 more|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2019

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 24被引用数 38

ひとこと要約

本論文は、高分解能分光・成像・偏光測定を実現するジルマン系地素-ストリップ検出器アレイを用いた SMEX ガンマ線望遠鏡 COSI を提案し、銀河の陽電子湮滅と核合成線のマップ化を目指すミッション設計を提示する。

ABSTRACT

In this Astro2020 APC White Paper, we describe a Small Explorer (SMEX) mission concept called the Compton Spectrometer and Imager. COSI is a Compton telescope that covers the bandpass often referred to as the "MeV Gap" because it is the least explored region of the whole electromagnetic spectrum. COSI provides a significant improvement in sensitivity along with high-resolution spectroscopy, enabling studies of 511 keV electron-positron annihilation emission and measurements of several radioactive elements that trace the Galactic history of supernovae. COSI also measures polarization of gamma-ray bursts (GRBs), accreting black holes, and pulsars as well as detecting and localizing multimessenger sources. In the following, we describe the COSI science, the instrument, and its capabilities. We highlight many Astro2020 science WPs that describe the COSI science in depth.

研究の動機と目的

• MeV領域のガンマ線天文学のギャップを埋めるための Small Explorer ミッション(COSI-SMEX)の動機付け。
• 銀河系内の511 keV 陽電子湮滅と核合成線(26Al, 60Fe, 44Ti)の高感度マッピングを実現。
• GRB、AGN、パルサー、マルチメッセンジャー対応機の偏光測定を提供。
• MeV ガンマ線天文学の空を特徴付け、宇宙線・バックグラウンド過程を研究。
• 検出器とソフトウェアが実証済みの成熟した機器概念を示す。

提案手法

• 高分解能分光と3D 相互作用位置決定のためのジルマニウムクロスストリップ検出器のスタック型アレイを用いる。
• MEGAlib ソフトウェアを用いた複数相互作用のイベント再構成によるコムプトン成像を行う。
• 検出器を <80 K に冷却されたクライオスタットに収容し、アクティブシールドで背景を低減し、視野を約25%に定義する。
• 12時間の北-南再指向を通じた全天スキャンモードを実装し、日ごとに100%の天空カバーを達成する。
• GRB検出と局在化を拡張するため、アクティブBGOシールドを用いて実効視野を約50%まで拡張する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MeV ガンマ線の感度を大幅に改善して、銀河全体の陽電子湮滅と放射性核種線をマッピングするにはどうすればよいか？
• RQ2 MeV コムプトン望遠鏡の角度分解能・スペクトル分解能・偏波測定の能力は、様々なソース（GRB、パルサー、AGN）に対してどの程度か。
• RQ3 COSI は重力波/ニュートリノ対応を含むマルチメッサージ相手の探索を可能にする正確な局在と偏光測定を提供できるか？
• RQ4 広域 MeV 観測を通じて銀河系の核合成と陽電子源の理解にどのような影響が期待されるか？

主な発見

パラメータ	COSI 値
Energy Range	0.2–5 MeV
Spectral Resolution	0.2–1%
Field of View	25% sky
Sky Coverage	100% per day
Angular Resolution (511 keV)	3.2° FWHM
Angular Resolution (1.809 MeV)	1.5° FWHM
Line Sensitivity (511 keV)	7.9×10^-6 photons cm^-2 s^-1
Line Sensitivity (1.809 MeV)	1.7×10^-6 photons cm^-2 s^-1
Flux polarization limit	15 mCrab
GRB polarization fluence limit	4×10^-6 erg cm^-2

• COSI は 0.2–5 MeV のカバレッジと 0.2–1% のスペクトル分解能、25% の視野を提供し、広域 MeV ガンマ線天文学を可能にする。
• 角分解能：511 keV で 3.2° FWHM、1.809 MeV で 1.5° FWHM、陽電子湮滅と核種マップのイメージングを改善。
• 2 年間の線感度予測：511 keV = 7.9×10^-6 photons cm^-2 s^-1; 1.809 MeV = 1.7×10^-6 photons cm^-2 s^-1。
• 偏光感度：通量偏光制限 15 mCrab; 2 年間で GRB 偏光フルエンス制限 4×10^-6 erg cm^-2、最小検出偏光 50%.
• COSI は重力波イベントに関連する短GRB の検知・局在を通じてマルチメッセージサイエンスを可能にする。
• 機器は気球飛行での Crab Nebula 検出と GRB 局在化など、SMEX ミッションの概念を検証する進展を示している。