[논문 리뷰] Line Emission Mapper (LEM): Probing the physics of cosmic ecosystems

Ralph Kraft, Maxim Markevitch외 108명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 17.

Superconducting and THz Device Technology인용 수 46

한 줄 요약

LEM은 CGM/IGM 방출을 매핑하고 은하 형성, 피드백 및 바리온 흐름을 연구하기 위한 대규모 그라스를 가진 소프트 X선 이미징 분광기(해상도 1–2 eV)이다.

ABSTRACT

The Line Emission Mapper (LEM) is an X-ray Probe for the 2030s that will answer the outstanding questions of the Universe's structure formation. It will also provide transformative new observing capabilities for every area of astrophysics, and to heliophysics and planetary physics as well. LEM's main goal is a comprehensive look at the physics of galaxy formation, including stellar and black-hole feedback and flows of baryonic matter into and out of galaxies. These processes are best studied in X-rays, and emission-line mapping is the pressing need in this area. LEM will use a large microcalorimeter array/IFU, covering a 30x30' field with 10" angular resolution, to map the soft X-ray line emission from objects that constitute galactic ecosystems. These include supernova remnants, star-forming regions, superbubbles, galactic outflows (such as the Fermi/eROSITA bubbles in the Milky Way and their analogs in other galaxies), the Circumgalactic Medium in the Milky Way and other galaxies, and the Intergalactic Medium at the outskirts and beyond the confines of galaxies and clusters. LEM's 1-2 eV spectral resolution in the 0.2-2 keV band will make it possible to disentangle the faintest emission lines in those objects from the bright Milky Way foreground, providing groundbreaking measurements of the physics of these plasmas, from temperatures, densities, chemical composition to gas dynamics. While LEM's main focus is on galaxy formation, it will provide transformative capability for all classes of astrophysical objects, from the Earth's magnetosphere, planets and comets to the interstellar medium and X-ray binaries in nearby galaxies, AGN, and cooling gas in galaxy clusters. In addition to pointed observations, LEM will perform a shallow all-sky survey that will dramatically expand the discovery space.

연구 동기 및 목표

• 은하 간, 은하 주변(CGM/IGM) 및 은하 간의 미세한 가스의 물리학을 통해 은하 형성의 물리를 연구한다.
• 소프트 X선 대역에서의 방출선 매핑을 가능하게 하여 항성 및 블랙홀의 피드백 과정을 제약한다.
• 대규모 그라스와 높은 스펙트럴 해상도를 갖춘 기기를 통해 광범위한 천체 시스템에 대한 변혁적 관측 능력을 제공한다.
• 타깃 관측과 전체 하늘 설문조사를 모두 지원하여 X선 천체물리학의 발견 공간을 확장한다.

제안 방법

• 0.2–2 keV 대역에서 1–2 eV 스펙트럼 해상도를 갖는 대형 마이크로캐로미터 어레이/IFU를 사용한다.
• 30′×30′ 시야를 달성하고 약 10′′ 각 해상도를 달성하기 위한 경사 입사 Si 거울 디자인을 적용한다.
• 중심 1 eV 해상도와 확장 커버리지를 위한 2 eV 해상도 하이더스(Hydras)와 함께 약 13,806개의 흡수 픽셀을 가진 TES 마이크로캐로미터 검출기를 채택한다.
• 도플러/적색편이를 이용해 밝은 은하계 앞전방( Milky Way foreground) 신호를 분리하기 위해 비분산 이미징 분광학을 제공한다.
• 얕은 전체 하늘 설문조사를 활용하여 최적의 깊은 CGM/IGM 필드를 식별하고 발견 공간을 확장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고해상도 비분산 X선 분광학은 CGM과 IGM을 어떻게 매핑하여 은하 형성 물리를 제약할 수 있는가?
• RQ2 0.2–2 keV 대역에서 1–2 eV 해상도는 외은하 방출을 우리 은하의 전방 Foreground로부터 어느 정도까지 구분할 수 있는가?
• RQ3 O vii, O viii, Fe xvii의 공간적으로 해상된 선 지도가 은하 홀(Halo)의 가스 온도, 밀도, 금속함량 및 역학에 대해 무엇을 드러내는가?
• RQ4 LEM의 원소 abundance와 속도 측정이 은하 및 은 cluster의 피드백, 가열, 냉각 및 화학적 풍요화 모델에 어떤 정보를 제공하는가?
• RQ5 얕은 전체 하늘 설문조사의 과학적 수확은 CGM/IGM 노출의 발견 공간과 깊은 필드 대상 선정에 어떤 기여를 하는가?

주요 결과

• LEM의 2 eV 스펙트럼 해상도는 Milky Way 전면부의 망원 신호로부터 희미한 CGM/IGM 방출을 분리할 수 있어 z≥0.01에서의 홀 매핑을 가능하게 한다.
• 시뮬레이션은 LEM이 O vii, O viii, Fe xvii의 CGM/IGM 방출을 큰 반경까지 매핑하고 피드백 물리를 제약할 수 있음을 보여준다.
• 대형 그라스와 1 eV 중심 배열은 밝은 은하 홀 및 SNR에서 속도 측정 및 선 진단의 해상화를 가능하게 한다.
• LEM을 이용한 전하 하늘 얕은 설문조사는 광범위한 발견 공간을 열고 CGM/IGM 연구를 위한 최적의 깊은 펄드를 식별할 것이다.
• LEM은 그룹/클러스터의 ICM에서 abundances와 풍부화(histories)를 정량화하고 R200까지의 가스 움직임을 맵핑할 것이다.
• 이 임무 설계는 2032년 발사를 목표로 XRISM/Athena의 heritage를 활용하여 소프트 X선 선 방출 연구를 발전시킨다.