[論文レビュー] The THESEUS space mission: science goals, requirements and mission concept

L. Amati, P. T. O’Brien+32 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 65被引用数 80

ひとこと要約

THESEUSは、広視野型X線および近赤外線（NIR）能力を備えた多波長ペイロードを用いて、高赤方偏移ガンマ線バースト（GRBs）およびマルチメッセンジャー遷移源を研究することを目的としたESA M5ミッション候補である。高感度かつ迅速な機載処理によりGRBを検出・局在化することで、宇宙の再イオン化、初期の星形成、最初の銀河を調査することを目的としており、重力波およびニュートリノ対応源のリアルタイムアラートを可能にする。

ABSTRACT

THESEUS, one of the two space mission concepts being studied by ESA as candidates for next M5 mission within its Comsic Vision programme, aims at fully exploiting Gamma-Ray Bursts (GRB) to solve key questions about the early Universe, as well as becoming a cornerstone of multi-messenger and time-domain astrophysics. By investigating the first billion years of the Universe through high-redshift GRBs, THESEUS will shed light on the main open issues in modern cosmology, such as the population of primordial low mass and luminosity galaxies, sources and evolution of cosmic re-ionization, SFR and metallicity evolution up to the “cosmic dawn” and across Pop-III stars. At the same time, the mission will provide a substantial advancement of multi-messenger and time-domain astrophysics by enabling the identification, accurate localisation and study of electromagnetic counterparts to sources of gravitational waves and neutrinos, which will be routinely detected in the late ‘20s and early ‘30s by the second and third generation Gravitational Wave (GW) interferometers and future neutrino detectors, as well as of all kinds of GRBs and most classes of other X/gamma-ray transient sources. Under all these respects, THESEUS will provide great synergies with future large observing facilities in the multi-messenger domain. A Guest Observer programme, comprising Target of Opportunity (ToO) observations, will expand the science return of the mission, to include, e.g., solar system minor bodies, exoplanets, and AGN.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移GRBsを観測することで、宇宙の再イオン化、星形成、金属量の進化を調査し、初期宇宙を解明する。
• 高エネルギー遷移源のリアルタイム検出および局在化を可能にし、重力波およびニュートリノ対応源を含むマルチメッセンジャーアストロノミーを支援する。
• 高い感度と迅速な応答を備えたX線および近赤外線バンドで遷移源をモニタリングすることにより、時間領域天文学を前進させる。
• ATHENA、ELT、第3世代重力波検出器などの次世代施設と統合することで、2030年代のマルチメッセンジャーエラの基盤を担う。
• ゲストオブザーバープログラムを通じて科学的帰属を最大化し、オピニオン・オブ・オポーチュニティ（ToO）観測および公開データポリシーを含む。

提案手法

• 0.3 keVから10 MeVをカバーする広視野型X線イメージャー（XGIS）およびソフトX線イメージャー（SXI）を用い、深さのある全天監視を実施する。
• 機載近赤外線（NIR）機器を統合し、トリガー発生後数分以内に遷移源の迅速特定、秒角レベルの局在化、赤方偏移の決定を実現する。
• 機動性の高い姿勢制御と、トリガー・アラートを数秒以内に地上施設に迅速ダウンリンクする自律型宇宙機システムを実装する。
• 高いグレースと角分解能を備えた多機器ペイロードを用い、GRB後の輝きおよびその他の遷移源を検出・特徴付ける。
• リアルタイム監視、アラート配信、ToOスクリーニングチームを備えた科学データセンター（SDC）を設立する。
• 科学管理計画に従い、公開データを数時間以内にリリースする。高赤方偏移GRBデータ（例：z > 6）については、限定的な独自使用期間（6か月）を設ける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高赤方偏移GRBは、宇宙の再イオン化歴史および最初の銀河の性質を調査するためにどのように利用可能か？
• RQ2 『宇宙の夜明け』（z > 6）期における星形成および金属量の進化を追跡する上で、GRBが果たす役割は何か？
• RQ3 THESEUSは、2030年代に重力波およびニュートリノイベントの電磁的対応源をどのように早期に検出・局在化可能にするか？
• RQ4 コミュニティ参加と科学的帰属を最大化するための最適なデータポリシーおよび科学管理フレームワークは何か？
• RQ5 ミッションの多波長能力は、将来の大規模施設向けの遷移源選別および追跡をどのように向上させるか？

主な発見

• THESEUSは、年間約1件の高赤方偏移GRB（z > 6）を検出・局在化すると予想され、過去20年間の累積検出率を大幅に上回る。
• 広視野型X線およびNIR機器により、GRBトリガー発生後数分以内に秒角レベルの局在化と赤方偏移の決定が可能となる。
• 機載自律システムにより、トリガー・アラートが数秒以内に地上に送信され、地上および宇宙望遠鏡による迅速な追跡が可能になる。
• 前回のミッションと比較して、高赤方偏移GRB後の輝き検出感度が1000倍向上する。
• 科学管理計画により、公開データは数時間以内にリリースされ、最高赤方偏移GRB（z > 6）データについては6か月の独自使用期間を設ける。
• ゲストオブザーバープログラムにより、コミュニティ主導の観測が可能となり、ToOトリガーおよびスキャンモードのポイント調整が可能となる。GOデータの独自使用期間は3か月である。