[論文レビュー] The Hot and Energetic Universe: The Wide Field Imager (WFI) for Athena+

A. Rau, Norbert Meidinger+21 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2013

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 3被引用数 43

ひとこと要約

本論文は、アテナ＋X線望遠鏡のためのワイドフィールドイメージャー（WFI）を提示する。この高スループット型機器は、40弧分の視野と5弧秒の分解能を備え、高温で高エネルギーの宇宙を調査することを目的としている。0.1–15 keV帯域で光子カウント画像を実現するDEPFET検出器を用いることで、これまでにない同時的な高時間分解能と高カウントレート観測が可能となり、パイルアップが低減される。これにより、現在のミッションをはるかに超えるX線サーベイ能力が実現される。

ABSTRACT

The Wide Field Imager (WFI) is one of the two scientific instruments proposed for the Athena+ X-ray observatory. It will provide imaging in the 0.1-15 keV band over a wide field, simultaneously with spectrally and time-resolved photon counting. The instrument is designed to make optimal use of the grasp (collecting area times solid angle product) provided by the optical design of the Athena+ mirror system (Willingale et al. 2013), by combining a sensitive approx. 40' diameter field of view (baseline; 50' goal) DEPFET detector with a pixel size properly sampling the angular resolution of 5 arc sec on-axis (half energy width).This synthesis makes the WFI a very powerful survey instrument, significantly surpassing currently existing capabilities (Nandra et al. 2013; Aird et al. 2013). In addition, the WFI will provide unprecedented simultaneous high-time resolution and high count rate capabilities for the observation of bright sources with low pile-up and high efficiency. In this paper, we summarize the instrument design, the status of the technology development, and the baseline performance.

研究の動機と目的

• アテナ＋ミラー系の収差を最大限に活用し、高温で高エネルギーの宇宙を深く感度良くサーベイできるワイドフィールドX線イメージャーの開発。
• 明るいX線源に対して、パイルアップを最小限に抑えつつ、同時に高時間分解能と高カウントレート観測を実現する。
• ミラーの分解能に一致するピクセルサンプリングにより、最適な空間分解能（軸上5弧秒）を達成する。
• 0.1–15 keVエネルギー帯域で、広い視野（直径40′、目標50′）と高い感度を持つ、広域天球カバレッジを実現する。
• サーベイ速度、感度、時間領域性能の面で、現在の能力を凌駕することでX線天文学を前進させる。

提案手法

• WFIは、アテナ＋ミラーの有効集光面積と分解能に最適化された、直径40弧分の視野を持つDEPFETベースの検出器を採用する。
• ミラーの軸上分解能5弧秒（半エネルギー幅）を適切にサンプリングするピクセルサイズを採用し、最適な画像忠実度を確保する。
• リアルタイムでの光子カウント処理により、エネルギーと時間分解能を達成し、高時間分解能光度曲線とスペクトル解析を可能にする。
• 高い量子効率と高速読み出しを活用することで、高源フラックス下でもパイルアップを低減した運用を実現する。
• WFIの設計は、アテナ＋望遠鏡の光学系と統合され、ワイドフィールド全体で集光面積×立体角（グリップ）を最大限に引き出す。
• 技術開発は、DEPFETセンサの性能、読み出し回路、宇宙空間での安定運用に不可欠な熱管理に焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 WFIは、アテナ＋ミラー系のグリップを最大限に活用し、深く広域のX線サーベイを実現するにはどのようにすればよいか？
• RQ2 高カウントレート下でも高時間分解能と低パイルアップを達成するには、どのような検出器と読み出しアーキテクチャが必要か？
• RQ3 WFIの視野と空間分解能を、アテナ＋ミラーの性能に最適化するにはどうすればよいか？
• RQ4 既存のX線望遠鏡と比較して、WFIの期待される感度とサーベイ速度はどの程度か？
• RQ5 宇宙空間に設置可能なワイドフィールド・ハイスループットX線イメージャーを実現するには、どのような技術的進歩が必要か？

主な発見

• WFIは、直径40弧分（目標50弧分）の視野を実現し、0.1–15 keV帯域で広域天球サーベイを可能にする。
• 軸上では5弧秒の空間分解能を達成し、ピクセルサンプリングにより最適な空間忠実度を確保する。
• DEPFET検出器により、高時間分解能と低パイルアップを実現する光子カウント画像が可能となり、高フラックス下でも安定して動作する。
• 感度、サーベイ速度、時間領域性能の面で、現在のX線サーベイ能力を著しく上回る。
• 技術開発は打ち切りに向け進捗を示しており、DEPFETセンサーや読み出し回路といった主要部品は現在、積極的な試験が行われている。
• 深く広域の観測において、既存のX線望遠鏡と比較して100倍のサーベイ速度向上が見込まれる。