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

A. De Angelis, V. Tatischeff+72 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2016

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 141被引用数 94

ひとこと要約

e-ASTROGAMは、MeV–GeVエネルギー範囲に最適化された次世代のガンマ線宇宙望遠鏡を提案しており、低材料の新規設計を採用して3年間で3,000個以上の源を検出するとともに、数千もの源の偏光測定を可能にする。このミッションは、重力波の対応源を含む一時的現象を検出することで多メッセンジャー天文学を実現し、連携された多波長追従観測のための迅速なアラートを提供する。

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

• 現在のミッションと比較して、高エネルギーガンマ線源の数を10倍以上に大幅に増加させること。
• 数千ものガンマ線源の偏光測定を提供することで、極端な天体物理学的環境における放射メカニズムの理解を新たにする。
• 重力波の対応源やフレアを示す源を含む一時的現象の検出と局在化により、時間領域天文学を支援すること。
• 国際科学コミュニティへの迅速なアラート提供とオープンアクセスを実現することで、連携された多波長観測を可能にすること。
• 特にCTA、ALMA、JWST、LHAASOを含む、地上および宇宙ベースの観測機器と連携し、電磁波および粒子スペクトル全域で補完的役割を果たすこと。

提案手法

• ミッションは、コンプトンカメラ（P/L検出器）とペア生成トラッカー（L/SCD）を組み合わせたハイブリッド型のインストルメントを採用した広視野ガンマ線望遠鏡を用いる。被動材料を最小限に抑えることで感度を向上させる。
• P/L検出器は、MeV–GeVガンマ線に最適化されたセグメント化されたシンチレーションアレイで構成され、位置およびエネルギー分解能が最適化されており、1 MeVにおける全エネルギーピークエネルギー分解能が5%に達する。
• L/SCDはシリコンストリップ検出器を用いてペア生成から生じる電子・陽電子のペアを追跡し、高精度なエネルギーおよび方向再構成を実現する。
• 宇宙船は低地球軌道（LEO）に配置され、3年間の通常運用寿命を有し、軌道補正および制御された再突入のため、モノプロピペルラントであるヒドラジン推進システムを採用する。
• 姿勢制御は3軸安定化により実現され、反動ホイールと磁気トルクャーを用い、正確な指向性（±1°）、安定性（0.01°/s）、処理後の30秒角の指向性知識を達成する。
• 熱制御は、合計11.6 m²の固定型ラジエータを用い、ループヒートパイプ（LHP）技術で1.5 kWのペイロード熱を放出することで実現され、検出器温度を-10°C〜0°Cの範囲に維持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低材料で広視野のガンマ線インストルメントは、3年間の運用でMeV–GeV範囲で3,000個以上の源を検出可能だろうか？
• RQ2 高エネルギーガンマ線の偏光測定は、パulsars、AGNs、その他の極端な源における放射メカニズムの理解をどの程度向上させるだろうか？
• RQ3 e-ASTROGAMは、重力波の対応源やフレアを示す一時的現象をどの程度効果的に局在化・同定できるだろうか？
• RQ4 LEO環境下で、ハイブリッド型コンプトン＋ペア生成検出器設計が、高い感度と低バックグラウンドを達成する性能を発揮するか？
• RQ5 e-ASTROGAMは、迅速なアラート配信とオープン観測所アクセスを通じて、どのように迅速かつ連携された多メッセンジャー追従観測を可能にするだろうか？

主な発見

• インストルメントは、運用開始3年間で3,000個以上のガンマ線源を検出すると予想され、現在の源数と比較して10倍以上に増加する。
• P/L検出器は1 MeVにおける全エネルギーピークエネルギー分解能が5%に達し、スペクトル解析に不可欠な高精度なエネルギー測定を可能にする。
• L/SCDトラッカーは、100 MeVにおけるFWMH角分解能が3°未満、1 GeVにおけるエネルギー分解能が10%に達する。これにより、正確な源局在化とスペクトル研究が可能になる。
• 熱シミュレーションにより、ラジエータシステムが1.5 kWの熱を効果的に放出でき、P/L検出器を最適な温度範囲（-10°C〜0°C）に維持できることを確認した。
• 推進システムは、ヒドラジン266 kgを搭載しており、そのうち190 kg以上がミッション終了時の制御された再突入に割り当てられており、宇宙ごみ低減基準を満たす。
• ミッション設計は、3つの主要な指向モードをサポートする：真上スキャン、連続源追跡のためのほぼ慣性指向、および日食中における高速再指向（1軌道あたり最大2回）。これにより、全天球カバレッジと一時的現象への迅速な反応が可能になる。