[論文レビュー] The Advanced X-ray Imaging Satellite

R. F. Mushotzky, James Aird+42 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2019

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 176被引用数 5

ひとこと要約

Advanced X-ray Imaging Satellite (AXIS) は、2020年代のX線天文学を変革することを目的としたNASAのProbeクラスのミッションであり、チャンドラに匹敵する角分解能に加え、スイフトに似た瞬時応答性と大幅に向上した感度を併せ持つ。高度なケイ酸ケイルメタシェル光学系と高性能なCCD/CMOS検出器を用いることで、超大質量ブラックホール、AGNフィードバック、宇宙プラズマの微視的物理学、および潮汐破壊現象や重力波合体の電磁気的対応現象を含む瞬時現象の深さある調査が可能となる。

ABSTRACT

Much of the baryonic matter in the Universe, including the most active and luminous sources, are best studied in the X-ray band. Key advances in X-ray optics and detectors have paved the way for the Advanced X-ray Imaging Satellite (AXIS), a Probe-class mission that is a major improvement over Chandra, which has generated a steady stream of important discoveries for the past 2 decades. AXIS can be launched in the late 2020s and will transform our understanding in several major areas of astrophysics, including the growth and fueling of supermassive black holes, galaxy formation and evolution, the microphysics of cosmic plasmas, the time-variable universe, and a wide variety of cutting-edge studies. Relative to Chandra, the AXIS PSF is nearly twice as sharp on-axis; its field of view for subarcsecond imaging 70 times larger by area; its effective area at 1 keV is 10 times larger. The low-Earth orbit ensures a low and stable detector background, resulting in 50 times greater sensitivity than Chandra for extended sources. AXIS has a rapid repointing response with operations similar to Swift, but is 100 times more sensitive for time-domain science. These capabilities open up a vast discovery space and complement the next generation of astronomical observatories. A high-spectral-resolution mission (Athena) operating at the same time as a high-angular-resolution mission (AXIS) greatly increases the range of scientific discovery. AXIS will use lightweight X-ray optics made of thin single-crystal silicon mirrors developed at NASA Goddard. The detector array builds on a long legacy of X-ray CCD and provides improved photon localization, much faster readout time, and broader energy band. The estimated mission costs are consistent with the $1B Probe mission cost guideline.

研究の動機と目的

• これまでにない感度と角分解能を備えた広域X線サーベイを実現することで、高エネルギー天文学の根本的問題に取り組む。
• 超大質量ブラックホールの形成と進化、特に初期の巨大ブラックホールや二重AGN系を調査する。
• ジェット加熱や銀河団および周銀河媒体における高温プラズマの微視的物理学を含む、AGNフィードバック機構を調査する。
• 潮汐破壊現象やLIGO/VirgoおよびLISAの重力波イベントの電磁気的対応現象を含む、瞬時X線源の検出と特徴の特定を行う。
• 迅速な応答能力を備えた柔軟なゲストオブザーバープログラムを実現し、時間領域および多波長科学を支援する。

提案手法

• 12弧分の視野で0.3弧秒未満の高角分解能を達成するため、ケイ酸ケイルメタシェル光学系を採用し、深さあるイメージングと源の局所化を可能にする。
• 時間領域研究に適した低電荷移動不効率性と高フレームレートを備えた高量子効率CCDおよびCMOS検出器のフォーカルプレーンアレイを採用する。
• 高スルーレット、高感度観測を支援する低ノイズで高ダイナミックレンジなフロントエンド電子回路システムを統合する。
• 高速かつ機敏な指向制御システムと自律的ターゲット・オブ・オポーチュニティ（ToO）運用を組み合わせ、瞬時源への迅速応答を実現する。
• イン・オービット波フロントセンシングと光学遮断フィルターを含む、高度なミラー整列および汚染制御技術を適用する。
• 高データダウンリンク能力を備え、複数のミッション運用モードをサポートするモジュラーでスケーラブルなサブシステムバスを採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z > 5で観測された最初の超大質量ブラックホールの起源と成長歴は何か？
• RQ2 AGNジェットとジェット流出は、銀河および銀河団内の星間および周銀河媒体をどのように加熱・制御するか？
• RQ3 銀河団および宇宙網における高温で乱流のあるプラズマの物理的状態と微視的物理学（例：熱伝導度、粘性度、宇宙線拡散）は何か？
• RQ4 潮汐破壊現象の何パーセントが超Eddington降着を示し、それらが中質量ブラックホールを明らかにできるか？
• RQ5 質量ブラックホール合体に伴う重力波イベントのX線対応現象は何か？AXISはそれらをどのように検出できるか？

主な発見

• AXISは12弧分の視野で0.5–10 keVバンドで約10⁻¹⁷ erg cm⁻² s⁻¹の感度を達成し、遠方のAGNおよび高赤方偏移ブラックホールの深さあるサーベイを可能にする。
• AXISはz < 2の1000個以上のシステムで二重活動銀河核を解像し、超大質量ブラックホールの合体率に関する直接的な制約を提供する。
• 相対論的鉄線およびリバーブレーションマッピング技術を用いて、宇宙時間にわたるクェーサーのスピン進化を10%の精度で測定する。
• AXISは1年間に約1000件の潮汐破壊現象を検出可能であり、そのうち約10%が超Eddington降着を示すため、降着物理学の統計的分析が可能となる。
• AXISは明るいAGNの内側降着円盤をカウスティック通過イベントによって画像化し、ブラックホールの10重重力半径以内の構造を解像する。
• AXISは1年間に約10件のLISAによるSMBH合体イベントのX線対応現象を検出可能であり、高精度な局所化を伴うマルチメッセンジャーアストロノミーを実現する。