[논문 리뷰] eROSITA on SRG: a X-ray all-sky survey mission

N. Cappelluti, P. Predehl외 24명|arXiv (Cornell University)|2010. 04. 29.

Space Technology and Applications참고 문헌 1인용 수 8

한 줄 요약

eROSITA는 SRG 임무에서 7개의 월터-I 망원경과 pn-CCD 검출기를 사용하여 적색편이 z ≈ 1.3까지 50,000~100,000개의 은하단을 탐지하는 깊고 전천구적인 X선 조사 수행한다. 1.5 keV에서 약 1500 cm²의 유효 면적과 25–30 초초 해상도를 갖추고 있어 ROSAT보다 감도가 약 30배 높으며, 이는 은하단 질량 함수와 파wer 스펙트럼 진화를 통해 암흑 에너지와 대규모 구조에 대한 정밀한 우주론적 제약을 가능하게 한다.

ABSTRACT

eROSITA (extended ROentgen Survey with an Imaging Telescope Array) is the core instrument on the Russian Spektrum-Roentgen-Gamma (SRG) mission which is scheduled for launch in late 2012. eROSITA is fully approved and funded by the German Space Agency DLR and the Max-Planck-Society. The design driving science is the detection of 50 - 100 thousands Clusters of Galaxies up to redshift z ~ 1.3 in order to study the large scale structure in the Universe and test cosmological models, especially Dark Energy. This will be accomplished by an all-sky survey lasting for four years plus a phase of pointed observations. eROSITA consists of seven Wolter-I telescope modules, each equipped with 54 Wolter-I shells having an outer diameter of 360 mm. This would provide and effective area at 1.5 keV of ~ 1500 cm2 and an on axis PSF HEW of 15" which would provide an effective angular resolution of 25"-30". In the focus of each mirror module, a fast frame-store pn-CCD will provide a field of view of 1 deg in diameter for an active FOV of ~ 0.83 deg^2. At the time of writing the instrument development is currently in phase C/D.

연구 동기 및 목표

• 대규모 구조의 추적자로 은하단을 탐지하기 위한 깊고 전천구적인 X선 조사를 수행한다.
• 은하단 질량 함수와 파워 스펙트럼의 진화를 측정하여, 특히 암흑 에너지를 포함한 우주론적 파rameter를 제약한다.
• 7개의 월터-I 망원경과 고효율 pn-CCD를 사용한 4년간의 전천구 조사로 ROSAT보다 감도를 30배 높인다.
• X선 및 수냐에프-젤도비치 측정을 통해 적색편이 z ≈ 1.3까지 3.5×10¹⁴ h⁻¹ M☉ 이상의 질량을 가진 은하단을 식별하고 특성화한다.
• 다양한 우주론적 시험 간 일관성을 점검하기 위해 50,000~100,000개의 은하단으로 구성된 통계적으로 완전한 샘플을 제공한다.

제안 방법

• eROSITA는 각각 54개의 내장된 케이지로 구성된 7개의 월터-I 망원경 모듈을 사용하여 1.5 keV에서 약 1500 cm²의 유효 면적과 축 중심에서 15 초초의 브라운-포인트 확산 함수(PSF)를 달성한다.
• 각 망원경 모듈은 초점에 빠른 프레임 스토어 pn-CCD를 사용하여 1° 직경의 시야를 제공하고 활성 시야는 약 0.83 deg²이다.
• 위성 는 L2 라그랑주 점 주위에서 스캐닝 모드로 운영되며, 4년간의 전천구 조사와 두 개의 깊은 천구극장 필드를 포함한다.
• 감도는 뜨거운 은하단 내부 매질의 복사에 최적화되어 있으며, 전천구 조사에서 0.5–2 keV 밴드의 감도 한계는 약 ~3×10⁻¹⁴ erg cm⁻² s⁻¹이다.
• 배경 모델링은 간섭성 우주선과 입자 유도 배경을 포함하며, 0.5–2 keV 밴드에서 5.63 cts s⁻¹ deg⁻²의 결과를 도출한다.
• 시뮬레이션은 우주 배경과 입자 배경, AGN 및 수치 유체역학 시뮬레이션에서 유래한 은하단 소스를 포함하여 소스 혼동과 탐지 한계를 예측한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 eROSITA가 전체 하늘에 걸쳐 적색편이 z ≈ 1.3까지 탐지할 수 있는 은하단의 예상 수는 얼마인가?
• RQ2 시야 전체에 걸쳐 평균화된 eROSITA의 각도 해상도는 소스 혼동과 은하단 탐지에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 전천구 조사 기간 동안 eROSITA의 점원천 및 확장원천에 대한 0.5–2 keV 및 2–10 keV 밴드에서의 감도는 얼마인가?
• RQ4 혼동 한계 근처의 광도 수준에서 eROSITA는 어느 정도로 중간 정도로 확장된 은하단 소스를 활성 은하핵(AGN)과 분리할 수 있는가?
• RQ5 예측된 은하단 및 AGN 소스 수는 XMM-COSMOS와 같은 기존 조사와 비교해 볼 때 어떻게 되며, 조사에서 기대되는 총 소스 수는 얼마인가?

주요 결과

• eROSITA는 적색편이 z ≈ 1.3까지 50,000~100,000개의 은하단을 탐지할 것으로 예상되며, 이는 확장원천과 AGN을 분리하는 능력에 따라 달라진다.
• 전천구 조사 기간 동안 0.5–2 keV 밴드에서 5σ 점원천 감도는 약 10⁻¹⁴ erg cm⁻² s⁻¹이며, 2–10 keV 밴드에서는 약 3×10⁻¹³ erg cm⁻² s⁻¹이다.
• 천구극장에서는 0.5–2 keV 밴드에서 감도 한계가 약 ~2×10⁻¹⁵ erg cm⁻² s⁻¹로 향상되며, 2–10 keV 밴드에서는 약 ~3×10⁻¹⁴ erg cm⁻² s⁻¹로, 노출 시간은 20–40 ks이다.
• 시야 전체에 걸친 평균 각도 해상도는 약 28 초초이며, 30′ 이격 각도에서 30 초초의 HEW를 보이며, 은하단과 AGN을 신뢰성 있게 분리할 수 있다.
• 조사를 통해 20 ks 노출까지 광자 제한 감도에 도달하며, 0.5–2 keV 밴드에서 20–30 ks 노출 시 혼동 한계(10개의 빔당 1개의 소스)에 도달한다.
• 시뮬레이션 결과, XMM-COSMOS의 logN-logS 외삽을 기반으로 약 3–10×10⁶개의 소스(AGN까지 적색편이 z ≈ 7–8까지 포함)가 탐지될 것으로 예측된다.