[논문 리뷰] The Transient High-Energy Sky and Early Universe Surveyor (THESEUS)

L. Amati|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 09.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 213인용 수 18

한 줄 요약

THESEUS는 유럽우주국(ESA)의 M5 미션 개념으로, 우주의 전체 기간 동안 감마선 폭발(GRBs)을 탐지하고, 국소화하며 적색편이를 측정하기 위해 다중 기기 패널을 활용하여 초초당 정밀도를 달성한다. 이는 E-ELT, SKA, CTA 및 중력파 탐지기와 같은 차세대 천체망원경의 과학적 성과를 크게 향상시키기 위해 넓은 영역의 X선 및 감마선 모니터링과 함께 빠른 근적외선 후속 관측을 결합함으로써 초기우주 천체물리학, 다메시지어 천체물리학, 일시적 천체의 특성 분석 분야에서 돌풍 같은 돌파를 이끌어낼 것이다.

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.

연구 동기 및 목표

• z > 8에서의 첫 별(3세대 별, Pop III) 형성, 재이온화, 은하 진화 등 초기우주의 핵심 이해에 빈곤한 부분을 메우기 위해.
• 현재의 설비로는 접근할 수 없는 고적색편이 GRB(z ≈ 12까지)를 탐지하고 특성화함으로써 현재의 설문 조사의 한계를 극복하기 위해.
• 중력파 및 뉴트리노 소스의 전자기적 반영체를 실시간으로 정확하게 국소화함으로써 다메시지어 천체물리학을 가능하게 하기 위해.
• 어두운, 저광도 및 초장수 GRB, 기타 고에너지 천공 영역의 일시적 현상의 탐지 공간을 메우기 위해.
• 차세대 지상 및 저궤도 천체망원경과의 융합을 통해 시간 영역 일시적 천체에 대한 다중 파장 후속 관측 능력을 제공하는 유연한 시스템을 구축하기 위해.

제안 방법

• 부드러운 X선 이미저(SXI)와 X- 및 감마선 이미징 분광계(XGIS)를 조합한 이중 기기 접근법을 활용: SXI는 0.3–5 keV 범위에서 약 1 arcmin 국소화 정밀도를, XGIS는 2–30 keV 범위에서 약 1 arcmin 정밀도를 확보한다.
• 70 cm급 근적외선 망원경(IRT)을 탑재하여 신속한 이동을 가능하게 하고, 후광 및 킬로노바의 국소화 정밀도를 약 1 arcsec으로 달성한다.
• GRB 탐지 후 수 분 내로 우주선 자동 이동을 통해 일시적 후광의 적시 관측을 가능하게 한다.
• 2–10 MeV 대역에서 영상 및 분광 측정을 위해 코딩 마스크 카메라를 사용하며, 실리콘 다이오드 및 CsI 심광체를 활용한다.
• SXI의 약 1 sr, XGIS의 몇 sr의 넓은 시야를 활용해 고에너지 일시적 천체 전체 영역을 지속적으로 조사한다.
• 근적외선 후광 및 킬로노바 방출의 광도 측정과 중간 해상도 분광 측정을 통해 적색편이 결정을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재의 은하 설문 조사가 도달하지 못하는 영역까지 우주의 별 형성률을 측정하기 위해 GRB를 표준 캔들로 사용할 수 있는가?
• RQ2 고적색편이(z > 8–10) GRB의 탐지 가능성과 인구 특성은 어떠한가? 그리고 이는 첫 번째 세대(3세대) 별의 특성을 드러내는 데 기여할 수 있는가?
• RQ3 중력파 사건(예: 중성자별-중성자별 융합)의 전자기 반영체에 대한 초초당 국소화는 우주의 거리 측정 정확도를 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 THESEUS는 하부에너지 GRB, X선 플래시, 초장수 GRB를 얼마나 탐지하고 특성화할 수 있는가?
• RQ5 THESEUS는 E-ELT, SKA, CTA, ATHENA와 같은 차세대 설비의 과학적 성과를 다중 파장 관측을 통해 얼마나 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• THESEUS는 연간 약 100개의 GRB를 탐지하고 적색편이 측정을 통해 국소화할 것으로 예측되며, 그 중 상당수는 z > 8–10에서 발생하여 현재의 능력보다 훨씬 뛰어난 성능을 보일 것이다.
• 근적외선 후광 및 킬로노바에 대해 약 1 arcsec의 국소화 정밀도를 확보하여 광도 측정과 분광 측정을 통해 정확한 적색편이 결정이 가능할 것이다.
• THESEUS는 제3세대 중력파 탐지기의 연간 약 20건의 사건 빈도를 감당할 수 있는 감도로 단기 GRB와 NS-NS, NS-BH 융합에서 발생하는 킬로노바 방출을 탐지할 것으로 예상된다.
• THESEUS는 고립 에너지 Eiso = 10^53 erg인 GRB를 적색편이 z = 12까지 탐지할 수 있으며, 이는 GRB 에너지 분포의 중앙값에 해당한다.
• 초기 약 1 arcmin의 국소화 정밀도로 실시간 트리거를 제공하고, 수 분 내로 약 1 arcsec 정밀도로 향상되며, 이는 옵티컬, 라디오, X선 시설의 신속한 후속 관측을 가능하게 한다.
• 동시적인 X선 및 근적외선 관측 조합을 통해 수천 개의 X선 및 적외선 천체를 연구할 수 있으며, 이는 관측소 과학 및 일시적 천체 특성 분석 분야에서 급격한 발전을 이끌 것이다.