[論文レビュー] The e-ASTROGAM mission (exploring the extreme Universe in the MeV-GeV range)

A. De Angelis, V. Tatischeff+66 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2016

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 1被引用数 2

ひとこと要約

e-ASTROGAMは、0.3 MeVから3 GeVの光子エネルギー範囲において、非熱的宇宙を研究するための高度な宇宙望遠鏡ミッションを提案している。コンプトン効果と電子対生成を用いた望遠鏡は、類似品に比して優れた感度、角度分解能、エネルギー分解能、偏光測定能力を備えている。このミッションにより、相対論的噴流、核合成過程、重力波イベントの対応物の探査が可能となり、高エネルギー天文学および核天文学分野の飛躍的発展が期待される。

ABSTRACT

e-ASTROGAM (`enhanced ASTROGAM') is a breakthrough Observatory mission dedicated to the study of the non-thermal Universe in the photon energy range from 0.3 MeV to 3 GeV. The mission is based on an advanced space-proven detector technology, with unprecedented sensitivity, angular and energy resolution, combined with polarimetric capability. In the largely unexplored MeV-GeV domain, e-ASTROGAM will open a new window on the non-thermal Universe, making pioneering observations of the most powerful Galactic and extragalactic sources, elucidating the nature of their relativistic outflows and their effects on Galactic ecosystems. With a line sensitivity in the MeV energy range one to two orders of magnitude better than previous generation instruments, will determine the origin of key isotopes fundamental for the understanding of supernova explosion and the chemical evolution of our Galaxy. The mission will provide unique data of significant interest to a broad astronomical community, complementary to powerful observatories such as LIGO-Virgo-GEO600-KAGRA, SKA, ALMA, E-ELT, TMT, LSST, JWST, Athena, CTA, IceCube, KM3NeT, and the promise of eLISA. Keywords: High-energy gamma-ray astronomy, High-energy astrophysics, Nuclear Astrophysics, Compton and Pair creation telescope, Gamma-ray bursts, Active Galactic Nuclei, Jets, Outflows, Multiwavelength observations of the Universe, Counterparts of gravitational waves, Fermi, Dark Matter, Nucleosynthesis, Early Universe, Supernovae, Cosmic Rays, Cosmic antimatter.

研究の動機と目的

• 先進的な宇宙用に実証済みの検出器技術を用いて、ほとんど未開拓とされるMeV-GeVエネルギー範囲の非熱的宇宙を探索すること。
• 前世代の機器よりも1〜2桁優れた線スペクトル感度を達成することで、超新星で生成される主要な同位体の起源を特定すること。
• 銀河系および銀河外の源、特に活動銀河核やガンマ線バーストを含む、相対論的噴流およびジェットを研究すること。
• LIGO、CTA、JWST、IceCubeなどのマルチメッセンジャー観測施設と補完的データを提供し、多波長およびマルチメッセンジャー研究を強化すること。
• 高エネルギーガンマ線および偏光測定による高分解能観測を通じて、宇宙線、反物質、および初期宇宙の研究を進める。

提案手法

• 0.3 MeVから3 GeVの範囲で高感度および高エネルギー分解能を実現するように最適化されたコンプトン効果と電子対生成を用いた望遠鏡設計を採用すること。
• 角度分解能および偏光測定能力が向上した先進的な検出器技術を用いて、源の構造および放射メカニズムの区別を可能にすること。
• MeV帯の線スペクトル感度が、前世代の機器を1〜2桁上回る深宇宙スカイサーベイを実施すること。
• LIGO-Virgo-GEO600-KAGRA、SKA、ALMA、E-ELT、TMT、LSST、JWST、Athena、CTA、IceCube、KM3NeT、eLISAなどの多波長およびマルチメッセンジャー施設とデータ統合を行うこと。
• 偏光測定を活用して、相対論的噴流およびジェット内の磁場構造と放射メカニズムを解明すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超新星爆発で生成される主要な同位体の起源は何か。また、それらは銀河の化学的進化にどのように寄与するか。
• RQ2 活動銀河核およびガンマ線バーストにおける相対論的噴流およびジェットを駆動する物理的メカニズムは何か。
• RQ3 LIGOおよびVirgoによって検出された重力波対応物と、高エネルギーガンマ線放射がどのように相関するか。
• RQ4 高分解能および偏光ガンマ線観測から、ダークマターの消失または崩壊信号にかけられる制約は何か。
• RQ5 さまざまな天体的環境において、宇宙線および反物質生成メカニズムはどのように変化するか。

主な発見

• e-ASTROGAMは、MeVエネルギー範囲の線スペクトル感度を、前世代の機器よりも1〜2桁優れた性能で達成し、正確な核合成研究を可能にする。
• このミッションは、相対論的噴流における磁場構造の詳細なマッピングを可能にする、ユニークな偏光データを提供する。
• 重力波イベントの高エネルギーガンマ線対応物を、より高い局在精度と感度で検出可能となり、マルチメッセンジャー天文学が進化する。
• 高エネルギー分解能により、超新星残骸からのガンマ線線スペクトルを解像し、放射性同位体の生成を直接的に探査可能となる。
• e-ASTROGAMは、MeV-GeV帯における非熱的宇宙の包括的初回スカウトを実現し、従来検出されなかった源および放射プロセスを明らかにする。
• JWST、CTA、eLISAなどの既存および将来の観測施設と補完的であり、次世代の高エネルギー天文学インfra構築の基盤を形成する。