[논문 리뷰] POEMMA (Probe of Extreme Multi-Messenger Astrophysics) design

Angela V. Olinto, J. H. Adams외 43명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 14.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 23인용 수 11

한 줄 요약

POEMMA는 지구 대기 중 광범위한 공기 샤워를 통해 초고에너지 우주선(UHECRs >20 EeV)과 천체 중성자율(>20 PeV)을 탐지하기 위한 두 대의 동일한 궤도 기반 관측소를 제안하는 나사의 프로브급 미션입니다. 525km 고도에서 자외선 형광 및 광학 체렌코프 검출 기능을 갖춘 이중 광도계를 사용하여 스테레오 관측과 일시적 천체 현상의 후속 관측을 가능하게 하여, 극한 에너지에서의 다메시지 천체물리학을 크게 발전시킵니다.

ABSTRACT

The Probe Of Extreme Multi-Messenger Astrophysics (POEMMA) is a NASA Astrophysics probe-class mission designed to observe ultra-high energy cosmic rays (UHECRs) and cosmic neutrinos from space. Astro2020 APC white paper: Medium-class Space Particle Astrophysics Project.

연구 동기 및 목표

• 20 EeV 이상의 초고에너지 우주선(UHECRs)의 기원과 조성을 밝히기.
• 흑색구와 별의 융합 및 감마선 폭발과 같은 극한 천체적 일시적 현상에서 발생하는 고에너지 중성자율 방출을 탐지하기.
• 수십 PeV에서 수십 ZeV에 이르는 천체 중성자율 관측을 통해 표준모형을 초월한 물리학을 탐구하기.
• 일시적 밝은 천체 현상과 고에너지 중성자율 폭발에 대한 대상 지정 관측 후속 조치를 가능하게 하기.
• 다중메시지 신호를 활용하여 대기 동역학, 유성, 핵자리 등 이국적인 입자들을 연구하기.

제안 방법

• 525km 고도에서 이격된 형식으로 두 대의 동일한 관측소를 배치하여 광범위한 공기 샤워(EAS)를 단일 및 스테레오 모드로 관측하기.
• 45° 시야각을 갖춘 4미터 스키모프 망원경과 하이브리드 광도계 포착면을 사용하여 자외선 형광(1μs 정밀도)과 광학 체렌코프(20ns 정밀도) 동시 검출을 수행하기.
• 근접 담비어 방향(스테레오 형광 관측용)에서부터 약 47° 담비어 이격 각도까지 향하도록 조정하여 지구의 가장자리에서 체렌코프 방출을 모니터링하고, 타우-중성자율 유도 공기 샤워 및 UHECRs를 관측하기.
• 고속 자외선 카메라를 형광 신호용, 초고속 광학 카메라를 상대론적 샤워 입자에서 유도된 체렌코프 빛용으로 사용하는 이중 카메라 시스템을 구현하기.
• 관측 대상 천체 전체를 대상으로 하여 관심 에너지 범위 내에서 고통계적 UHECR 및 중성자율 탐지 성능 확보하기.
• 클래스 B 미션 기준에 맞는 체계공학 및 미션 보증을 통합하고, GSFC IDC 및 MSFC ECO 파rametric 모델 기반의 비용 모델링 수행하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 20 EeV 이상의 초고에너지 우주선을 유도하는 천체물리적 기원과 가속 메커니즘은 무엇인가요?
• RQ2 합체하는 블랙홀, 중성자별 또는 백색왜성 이중성계가 20 PeV 이상의 고에너지 중성자율을 방출할 수 있나요?
• RQ3 블라azar 활성화 및 감마선 폭발 기간 동안 고에너지 중성자율 방출의 성격은 어떠한가요?
• RQ4 UHECRs는 은하수 및 갈라크시 외부 자기장과 지구 대기와 어떻게 상호작용합니까?
• RQ5 POEMMA는 극한 에너지에서 천체 중성자율 스펙트럼 관측을 통해 표준모형을 초월한 물리학을 탐지할 수 있나요?

주요 결과

• POEMMA의 전체 수명 주기 비용은 FY18 기준 약 9.4억 달러에서 10.5억 달러 사이로 추정되며, 두 번째 우주선의 비용은 첫 번째의 25% 수준으로, 재사용 가능한 시스템과 감소된 미션 보증 비용 덕분입니다.
• 두 번째 우주선의 비용이 25% 증가하도록 설계되었으며, 이는 클래스 B 미션에서 유사한 복제 우주선의 역사적 추세와 일치합니다.
• 광도계의 4미터 스키모프 광학계와 45° 시야각은 모든 과학적 요구사항을 충족하며 기존 기술로 제작이 가능합니다.
• 셔터 도어 시스템은 최대 미션 위험 요소로 지목되었지만, 초도 설계 단계에서 대체 조준 전략이 검토되고 있습니다.
• 단일 우주선의 비용-질량 비율은 이전 미션의 추세선에 부합하며, 전체 미션(두 대)의 비용-질량 비율은 비이미징 미션의 추세선을 약간 아래쪽으로 유지하고 있습니다.
• 모듈식 설계와 복제 시스템 덕분에 2023년 단계 A 시작, 2029년 발사 일정이 타당하다고 평가되었습니다.