[논문 리뷰] Science with the Ultraviolet Explorer (UVEX)

S. R. Kulkarni, Fiona A. Harrison외 54명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 30.

Photocathodes and Microchannel Plates참고 문헌 2인용 수 33

한 줄 요약

UVEX는 FUV/NUV 이중 광대역 이미징과 광대역 분광기를 갖춘 제안된 MIDEX 임무로, 깊은 모든 하늘 UV 조사, 표적 분광학, 신속한 ToO 추적을 수행하며 저질량, 저금속 은하 및 역동적인 UV 하늘을 다룬다.

ABSTRACT

UVEX is a proposed medium class Explorer mission designed to provide crucial missing capabilities that will address objectives central to a broad range of modern astrophysics. The UVEX design has two co-aligned wide-field imagers operating in the FUV and NUV and a powerful broadband medium resolution spectrometer. In its two-year baseline mission, UVEX will perform a multi-cadence synoptic all-sky survey 50/100 times deeper than GALEX in the NUV/FUV, cadenced surveys of the Large and Small Magellanic Clouds, rapid target of opportunity followup, as well as spectroscopic followup of samples of stars and galaxies. The science program is built around three pillars. First, UVEX will explore the low-mass, low-metallicity galaxy frontier through imaging and spectroscopic surveys that will probe key aspects of the evolution of galaxies by understanding how star formation and stellar evolution at low metallicities affect the growth and evolution of low-metallicity, low-mass galaxies in the local universe. Such galaxies contain half the mass in the local universe, and are analogs for the first galaxies, but observed at distances that make them accessible to detailed study. Second, UVEX will explore the dynamic universe through time-domain surveys and prompt spectroscopic followup capability will probe the environments, energetics, and emission processes in the early aftermaths of gravitational wave-discovered compact object mergers, discover hot, fast UV transients, and diagnose the early stages of stellar explosions. Finally, UVEX will become a key community resource by leaving a large all-sky legacy data set, enabling a wide range of scientific studies and filling a gap in the new generation of wide-field, sensitive optical and infrared surveys provided by the Rubin, Euclid, and Roman observatories. This paper discusses the scientific potential of UVEX, and the broad scientific program.

연구 동기 및 목표

• Astro2020에서 제시된 Galaxy Growth 및 Dynamic Universe 우선순위를 다루기 위한 광대역 자외선 발사를 촉진한다.
• GALEX보다 수십 등급 deeper한 깊은 모든 하늘 UV 조사와 빠른 ToO 추적을 가능하게 한다.
• 젊고 저금속 은하 및 일시적 현상에 대한 분광 관측 능력을 제공한다.
• 다가오는 광학/적외선 설문과 보완하는 지속 가능한 UV 데이터 아카이브를 만든다.
• UV 천문학의 광범위한 커뮤니티 주도 과학을 지원한다.]
• method:[
• 동시 운용되는 두 개의 광대역 이미저가 FUV(1390–1900 Å) 및 NUV(2030–2700 Å)에서 동시 작동한다.
• R ≥ 1000인 1150–2650 Å를 커버하는 롱-슬릿 분광기.
• UV 최적 코팅 및 동시 이미징용 다색 빔분배기를 갖춘 백사이드-조명 CMOS 검출기.
• 셔터 없는 롤링 리드아웃으로 대략 99% 노출 듀티 사이클 및 온보드 데이터 압축.
• ToO 반응 시간 평균 약 3시간의 가능한 6시간 간격 지상 통신.
• 배치 설계(타원 17Re × 15Re, 주기 13.7일)로 배경을 최소화하고 관측 효율을 극대화한다.

제안 방법

• 두 개의 공정 정렬된 광대역 이미저가 FUV(1390–1900 Å)와 NUV(2030–2700 Å)에서 동시에 작동한다.
• R ≥ 1000인 1150–2650 Å를 커버하는 롱-슬릿 분광기.
• UV 최적 코팅과 다색 빔분배기를 갖춘 백사이드-조명 CMOS 검출기로 동시 이미징을 달성한다.
• 셔터 없는 롤링 리드아웃으로 약 99% 노출 듀티 사이클과 온보드 데이터 압축을 사용한다.
• 6시간 간격 지상 통신으로 평균 ~3시간의 ToO 반응 시간을 가능하게 한다.
• 배타적(타원형 17Re × 15Re, 13.7일 주기)의 궤도 설계로 배경을 최소화하고 관측 효율을 극대화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 100 Mpc 이내의 저질량, 저금속 은하의 인구 조사 및 이해를 심화하기 위해 깊고 넓은 영역의 UV 조사가 어떻게 기여할 수 있는가?
• RQ2 극저금속성 젊은 은하의 rest-frame UV에서 어떤 성운 및 항성 특징이 UVEX에 의해 측정되어 고적(redshift) 은하 모델의 기준이 될 수 있는가?
• RQ3 UVEX는 시간 영역 UV 천문학과 초신성 및 GW 동반체의 신속한 분광을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ4 거리를 구분하고 별 formation 측정에서 이중성 문제를 해소하는 데 있어 UV 이미징이 Rubin, Euclid, Roman과 어떤 보완적 역할을 하는가?
• RQ5 향후 커뮤니티 조사에 대한 UV 아카이브를 통해 UVEX가 남길 Legacy 과학은 무엇인가?

주요 결과

• UVEX는 FUV 및 NUV에서 GALEX보다 외부 은하 하늘에서 50배 이상 더 깊게 설계되었으며, mUV ~ 25 및 100 Mpc에서 일반적인 저질량 은하에 대해 SNR ≥ 5를 달성한다.
• 미션은 강한 항성생성 및 저금속 은하에 대한 분광 관측을 가능하게 하며, 수많은 대상의 rest-frame UV 스펙트럼을 얻어 초기 우주 연구를 위한 템플릿을 개선한다.
• UVEX 이미징은 다가오는 Rubin 및 Euclid 설계와 결합될 때 Balmer breaks와 Lyman breaks를 구분하는 중요한 UV 광도 측정치를 제공하고 물리적 특성 측정을 다듬는다.
• 제안된 기본 프로그램에는 깊은 모든 하늘 UV 이미징, Magellanic Cloud 표적 조사, GW 이벤트 및 일시 현상에 대한 ToO 추적이 포함되며 데이터 지연은 6.5시간 미만이다.
• UVEX는 약 10^6–10^9 Msun의 질량을 갖는 근처의 수백만 개의 LMLZ 은하와 수천 개의 저금속 시스템에 대한 스펙트럼을 확보하여 금속-빈환경에서의 별 형성 및 피드백의 현지 실험실을 대폭 확장한다.