[論文レビュー] The CTA Observatory

Robert Wagner, E. Lindfors+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

CTA観測所は、100基以上の3種類のサイズ（7 m、12 m、24 m）の望遠鏡を1–10 km²にわたり配置することで、現在の機器よりも感度を5–10倍向上させ、エネルギー範囲を100 TeVまで拡張し、角度分解能およびエネルギー分解能をそれぞれ4–5倍に向上させる次世代の地上型超高エネルギー（VHE）ガンマ線望遠鏡観測所を提唱する。この計画は、成熟したイメージング・エア・チェレンコフ望遠鏡技術を活用し、高い自動化と遠隔操作を実現することで、天体物理学および素粒子物理学における高精度なガンマ線天文学を可能にする。

ABSTRACT

In recent years, ground-based very-high-energy (VHE; E>100 GeV) gamma-ray astronomy has experienced a major breakthrough with the impressive astrophysical results obtained mainly by the current generation experiments like H.E.S.S., MAGIC, MILAGRO and VERITAS. The ground-based Imaging Air Cherenkov Technique for detecting VHE gamma-rays has matured, and a fast assembly of inexpensive and robust telescopes is possible. The goal for the next generation of instruments is to increase their sensitivity by a factor >10 compared to current facilities, to extend the accessible gamma-ray energies from a few tens of GeV to a hundred TeV, and to improve on other parameters like the energy and angular resolution (improve the point-spread function by a factor 4-5 w.r.t. current instruments). The Cherenkov Telescope Array (CTA) project is an initiative to build the next generation ground-based gamma-ray instrument, will serve as an observatory to a wide astrophysics community. I discuss the key physics goals and resulting design considerations for CTA, the envisaged technical solutions chosen, and the organizational and operational requirements for operating such a large-scale facility as well as the specific needs of VHE gamma-ray astronomy.

研究の動機と目的

• 現在のVHEガンマ線機器の限界、すなわちエネルギー閾値、感度、角度分解能およびエネルギー分解能、視野の制限を克服する。
• 100 GeVから10 TeVの範囲における感度ギャップを解消し、100 TeVまでカバー範囲を拡張することで、極限の宇宙現象を調べる。
• 遠隔地に位置する大規模観測所を、高自動化・ロボット操作で運用可能とすることで、長時間にわたる複数夜にわたる観測を可能にする。
• グローバルな天体物理学および素粒子物理学コミュニティが、一元的かつオープンアクセスの施設として、一時的および安定したVHE源を研究できるようにする。
• ダークマターの消失、ローレンツ不変性の破れ、および銀河間背景光の探索を含む、素粒子物理学の根本的探査を進める。

提案手法

• 南半球に1つのアレイ、北半球にもう1つのアレイを設置することで、銀河系および中央銀河系の研究と、銀河外源の研究を分離して行う。
• 10 GeVから100 TeVの全エネルギー範囲を効率的にカバーするため、大型（24 m）、中型（12 m）、小型（7 m）の3種類の望遠鏡を用いる。
• 3つのモードをサポートするトリガーシステムを実装する：深紫外フィールド（全望遠鏡を同じ源に向け）、柔軟（部分的指向によるフォローアップ）、広視野（全天スキャン）。
• H.E.S.S.、MAGIC、VERITASの実績のある技術を活用して望遠鏡設計を実現し、コスト削減と保守コスト低減を図る。
• 高電圧システムと遠隔データ処理を統合することで、遠隔地でのロボット的・自律的運用を可能にする。
• 遠隔地からのリアルタイムデータ転送能力が限られるため、現地で生データの事前処理を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 10 GeVから100 TeVのエネルギー範囲において、地上型VHEガンマ線天文学の感度を5–10倍に向上させるには、どのような手法が有効か？
• RQ2 全エネルギースペクトルにわたって感度とエネルギー分解能を最大化するための最適な望遠鏡サイズの分布とアレイレイアウトは何か？
• RQ3 高電圧環境に位置する遠隔地において、高自動化・ロボット運用を実現するには、複数夜にわたる観測および複数の提案を同時にスケジューリングするにはどのような技術的・運用的措置が必要か？
• RQ4 100台の望遠鏡からなる観測所において、リアルタイムデータ処理と遠隔アクセスを可能にするために必要な技術的・運用的ソリューションは何か？
• RQ5 微弱な源の深紫外フィールド観測と、中程度の感度を有する広視野スキャンの両方を最適化するには、どのようにアレイを設計すべきか？

主な発見

• CTAの設計は、100 GeVから10 TeVの範囲で現在の機器よりも感度を5–10倍向上させることを達成しており、積分感度曲線が既存施設を著しく上回ることが予想される。
• エネルギー範囲は現在の約100 GeVの下限から100 TeVまで拡張され、銀河系の超新星残骸や銀河外のブラザーから来る超高エネルギーガンマ線の検出が可能になる。
• 角度分解能は現在の機器と比較して4–5倍向上すると予想され、ポイント spread 関数が小さくなり、源の局所化精度が向上する。
• エネルギー分解能も4–5倍向上すると予想され、ガンマ線信号とハドロン的バックグラウンドの分離がより正確に行えるようになる。
• アレイは約100台の望遠鏡から構成され、数基の大型（24 m）、十数基の中型（12 m）、十数基の小型（7 m）が1–10 km²にわたり配置され、有効集光面積を最大化する。
• プロトタイプ望遠鏡の開発が進行中であり、2012年までに望遠鏡設計および部品のプロトタイピングが完了し、2013年までにアレイプロトタイプが完成する予定である。