[論文レビュー] The Transient High-Energy Sky and Early Universe Surveyor (THESEUS)

L. Amati|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2019

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 213被引用数 18

ひとこと要約

THESEUSは、宇宙時間全域にわたりガンマ線バースト（GRB）を検出・局所化・赤方偏移測定することを目的としたESA M5ミッション・コンセプトであり、マルチインストルメントペイロードを用いてアーセコンド級の精度を達成する。広域X線およびガンマ線モニタリングと迅速な近赤外フォローアップを組み合わせることで、次世代の施設（E-ELT、SKA、CTA、重力波検出器など）の科学的成果を顕著に向上させ、初期宇宙の宇宙論、マルチメッセンジャー天文学、一時的天体の特徴付けに関する画期的な進展を可能にする。

ABSTRACT

THESEUS is a space mission concept currently under Phase A study by ESA as candidate M5 mission, aiming at exploiting Gamma-Ray Bursts for investigating the early Universe and at providing a substantial advancement of multi-messenger and time-domain astrophysics. Through an unprecedented combination of X-/gamma-ray monitors, an on-board IR telescope and automated fast slewing capabilities, THESEUS will be a wonderful machine for the detection, characterization and redshift measurement of any kind of GRBs and many classes of X-ray transients. In addition to the full exploitation of high-redshift GRBs for cosmology (pop-III stars, cosmic re-ionization, SFR and metallicity evolution up to the "cosmic dawn"), THESEUS will allow the identification and study of the electromagnetic counterparts to sources of gravitational waves which will be routinely detected in the late '20s / early '30s by next generation facilities like aLIGO/aVirgo, LISA, KAGRA, and Einstein Telescope (ET), as well as of most classes of transient sources, thus providing an ideal synergy with the large e.m. facilities of the near future like LSST, ELT, TMT, SKA, CTA, ATHENA.

研究の動機と目的

• 最初の星（Pop III）の形成、再電離、z > 8における銀河の進化といった、初期宇宙に関する根本的な理解のギャップを埋める。
• 現在の調査手法の限界を克服し、現在の施設では到達できない高赤方偏移GRB（z ≈ 12まで）を検出・特徴付ける。
• 重力波およびニュートリノ源の電磁的対応天体をリアルタイムかつ高精度で局所化することで、マルチメッセンジャーエンジニアリングを可能にする。
• 明るさが低く、発光度が弱く、超長継続GRBを含む、高エネルギー天の分野における微弱で未発見のトランジエンス現象の発見空間を埋める。
• 次世代の地上および宇宙望遠鏡と連携する柔軟な、多波長フォローアップ能力を提供し、時間領域トランジエンスを対象とする。

提案手法

• ソフトX線イメージャー（SXI）とXおよびガンマ線イメージング分光計（XGIS）の二重インストルメント手法を採用。SXIは0.3–5 keVをカバーし、約1アーセコンドの局所化精度を達成。XGISは2–30 keVをカバーし、同程度の精度を実現。
• 地上で70 cmクラスの近赤外望遠鏡（IRT）を搭載し、迅速な指向転換を実現し、後光およびキロノーバの局所化精度を約1アーセコンドに達する。
• GRB検出後数分以内に自律的宇宙機の指向転換を実行し、一時的後光のタイムリーなフォローアップ観測を可能にする。
• 符号化マスクカメラを用い、シリコンダイオードおよびCsIシンチレーターを用いて2–10 MeV帯のイメージングおよび分光測定を実施。
• SXIでは約1 sr、XGISでは数srの広視野を活用し、高エネルギー天のトランジエンス全天を継続的に調査。
• 近赤外後光およびキロノーバ放射のフィルターフォトメトリーと中分解能分光測定を用いて赤方偏移を決定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GRBは、現在の銀河調査では到達できない領域における宇宙の星形成率を測定するための標準キャンドルとして利用可能か？
• RQ2 高赤方偏移（z > 8–10）のGRBの検出可能性と集団的性質は何か？また、それらは最初の世代（Pop III）星の性質を明らかにできるか？
• RQ3 重力波イベント（例：NS-NS合体）の電磁的対応天体のアーセコンド級局所化は、宇宙論的距離測定をどのように向上させるか？
• RQ4 THESEUSは、低エネルギーGRB、X線フラッシュ、超長継続GRBといったタイプのGRBの予想検出率と特徴付け能力はどの程度か？
• RQ5 THESEUSは、E-ELT、SKA、CTA、ATHENAといった次世代施設の科学的成果を、連携された多波長観測によってどの程度向上できるか？

主な発見

• THESEUSは、年間約100件のGRBを検出・局所化し、赤方偏移測定を実施する見込みであり、そのうちの顕著な割合がz > 8–10に達する。これは現在の能力を大幅に上回る。
• 近赤外後光およびキロノーバの局所化精度は約1アーセコンドに達し、フィルターフォトメトリーおよび分光測定により正確な赤方偏移決定が可能になる。
• THESEUSは、第三世代重力波検出器の想定される年間約20件のイベント率をカバーする感度で、短時間GRBおよびNS-NSおよびNS-BH合体からのキロノーバ放射を検出できる見込みである。
• Eiso = 10^53 ergのGRBを、赤方偏移z = 12まで検出可能であり、これはGRBエネルギー分布の中央値に相当する。
• 秒単位で約1アーセコンドの局所化精度を有するリアルタイムトリガーを提供し、数分以内に約1アーセコンドの精度に到達する。これにより、光学・電波・X線施設による迅速なフォローアップが可能になる。
• 同時に得られるX線および近赤外観測により、数千件のX線および赤外線源の研究が可能となり、オブザーバトリ・サイエンスおよびトランジエンス源の特徴付けが顕著に進展する。