[논문 리뷰] The Compton Spectrometer and Imager

John A. Tomsick, Andreas Zoglauer외 22명|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 12.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 24인용 수 38

한 줄 요약

논문은 고해상도 분광학, 영상화 및 편광 측정을 위한 게르마늄 교차스트(detector) 어레이를 사용하는 SMEX 감마선 망원경 COSI를 제시하며, 은하 포지트론 소멸 및 핵합성 선을 매핑하는 임무 설계를 목표로 한다.

ABSTRACT

In this Astro2020 APC White Paper, we describe a Small Explorer (SMEX) mission concept called the Compton Spectrometer and Imager. COSI is a Compton telescope that covers the bandpass often referred to as the "MeV Gap" because it is the least explored region of the whole electromagnetic spectrum. COSI provides a significant improvement in sensitivity along with high-resolution spectroscopy, enabling studies of 511 keV electron-positron annihilation emission and measurements of several radioactive elements that trace the Galactic history of supernovae. COSI also measures polarization of gamma-ray bursts (GRBs), accreting black holes, and pulsars as well as detecting and localizing multimessenger sources. In the following, we describe the COSI science, the instrument, and its capabilities. We highlight many Astro2020 science WPs that describe the COSI science in depth.

연구 동기 및 목표

• 메가(MeV) 감마선 천문학의 MeV 격차를 해결하기 위해 COSI-SMEX를 위한 소형 탐사선 미션을 동기화한다.
• 은하 511 keV 포지트론 소멸 및 핵합성 선(26Al, 60Fe, 44Ti)의 고감도 매핑을 가능하게 한다.
• GRB, AGN, 펄서 및 다중천체 물체의 편광 측정을 제공한다.
• MeV 감마선 하늘을 특성화하여 우주선 및 백그라운드 과정을 연구한다.
• 구체적인 기구 개념이 성숙했고 Compton 이미징용으로 검증된 검출기와 소프트웨어를 시연한다.

제안 방법

• 고해상도 분광학 및 3D 상호작용 위치 추정을 위한 게르마늄 교차스트 detector 어레이를 적층 배열로 사용한다.
• 다중 상호작용의 이벤트 재구성을 위해 MEGAlib 소프트웨어를 사용한 Compton 이미징을 수행한다.
• 배경을 줄이고 25%의 하늘 필드 오브 뷰를 정의하기 위해 활성 차폐를 갖춘 <80 K로 냉각된 크라이오스탯 내에 탐지기를 배치한다.
• 12시간 남북 재포인팅을 통해 매일 100% 하늘 커버리지를 달성하는 전체 하늘 관찰 모드를 구현한다.
• GRB 탐지 및 위치정확도 확장을 위해 적극적 BGO 차폐를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MeV 감마선 민감도를 어떻게 크게 향상시켜 은하 전반의 포지트론 소멸 및 방사성 핵종 선을 매핑할 수 있는가?
• RQ2 다양한 소스(GRB, 펄서, AGN)에 대해 각도 해상도, 스펙트럼 해상도 및 편광 측정 측면에서 MeV Compton 망원경의 능력은 어느 수준인가?
• RQ3 COSI가 중다중천체 동반자 탐색(GW/중성미자 연관성)을 가능하게 하는 정확한 위치정렬 및 편광 측정 정보를 제공할 수 있는가?
• RQ4 광역 MeV 관측을 통한 은하 핵합성 및 포지트론 소스에 대한 이해에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• COSI는 0.2–5 MeV 범위를 0.2–1%의 스펙럴 해상도와 25%의 하늘 FOV로 제공하여 광역 MeV 감마선 천문학을 가능하게 한다.
• 각도 해상도: 511 keV에서 3.2° FWHM, 1.809 MeV에서 1.5° FWHM으로 포지트론 소멸 및 방사성 핵종 지도 영상화가 향상된다.
• 2년간의 예상 선 감도: 511 keV = 7.9×10^-6 photons cm^-2 s^-1; 1.809 MeV = 1.7×10^-6 photons cm^-2 s^-1.
• 편광 민감도: 플럭스 편광 한계는 15 mCrab; 두 해 동안의 GRB 편광 플루언스 한계는 4×10^-6 erg cm^-2로 최소 검출 편광 50%를 달성한다.
• COSI는 중력파 사건과 잠재적 고에너지 중성미자 동반체와 연관된 단편 GRB를 탐지하고 위치정렬함으로써 다중천체 과학을 가능하게 한다.
• 이 기기는 풍선 비행을 통한 Crab Nebula 검출 및 GRB 위치정렬 등 개념 검증을 통해 SMEX 임무를 위한 개념의 진전을 보여주었다.