[論文レビュー] The Compton Spectrometer and Imager Project for MeV Astronomy

J. A. Tomsick, S. Boggs+34 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2021

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 11

ひとこと要約

コンプトン分光計およびイメージャー（COSI）は、ゲルマニウムクロスストリップ検出器を用いて0.2–5 MeVエネルギー領域で高分解能分光法、画像化、偏光測定を実施する予定のスモール・エクスプローラー（SMEX）衛星ミッションである。COSIは、銀河系の陽電子消失放射をマッピングし、26Al、44Ti、60Feといった核合成元素を追跡し、従来のミッションと比較して感度と空間分解能を向上させたマルチメッセンジャーサンプルを検出する。

ABSTRACT

The Compton Spectrometer and Imager (COSI) is a 0.2-5 MeV Compton telescope capable of imaging, spectroscopy, and polarimetry of astrophysical sources. Such capabilities are made possible by COSI's germanium cross-strip detectors, which provide high efficiency, high resolution spectroscopy and precise 3D positioning of photon interactions. Science goals for COSI include studies of 0.511 MeV emission from antimatter annihilation in the Galaxy, mapping radioactive elements from nucleosynthesis, determining emission mechanisms and source geometries with polarization, and detecting and localizing multimessenger sources. The instantaneous field of view (FOV) for the germanium detectors is >25% of the sky, and they are surrounded on the sides and bottom by active shields, providing background rejection as well as allowing for detection of gamma-ray bursts or other gamma-ray flares over >50% of the sky. We have completed a Phase A concept study to consider COSI as a Small Explorer (SMEX) satellite mission, and here we discuss the advances COSI-SMEX provides for astrophysics in the MeV bandpass.

研究の動機と目的

• 0.511 MeVの消失放射を、前例のない感度と空間分解能でマッピングすることで、銀河系の陽電子の起源を解明すること。
• 長寿命核種（26Al、60Fe）と短寿命核種（44Ti）をマッピングすることで、銀河系における核合成を追跡し、星形成および超新星の歴史を研究すること。
• ガンマ線バーストおよびコンactな天体の偏光測定を可能にし、放射メカニズムと源の幾何構造に関する知見を提供すること。
• 重力波および高エネルギーニュートリノの対応天体といった一時的天体を局在化することで、マルチメッセンジャーアストロフィジックスを支援すること。
• COMPTEL や INTEGRAL/SPI といった前例のミッションと比較して、狭帯域感度を10倍向上させること。

提案手法

• 高純度ゲルマニウムクロスストリップ検出器（8×8×1.5 cm³）を16段積みにしたアレイを用い、高効率で高分解能の分光法と正確な3次元光子相互作用再構成を実現する。
• 5面にアクティブなBGOシンチレーション・シールドを設置し、背景を低減するとともに、ガンマ線バーストおよびフレアの検出に向け、天の川の50％以上をカバーする視野を拡大する。
• 低地球軌道で運用し、12時間ごとの再指向サイクルを経て、天の北および南22°の方向を指向することで、毎日全天空をカバーする。
• コンプトンイベント再構成および3次元イベント位置特定にMEGAlibソフトウェアパッケージを用い、画像化および分光解析を可能にする。
• 拡張源（例：銀河中心部の0.511 MeV放射）および点源（例：カブスパルサー）のモデリングに高度なソフトウェアパイプラインを適用する。
• 1.16 mmのストリップピッチを採用することで、位置分解能を向上（COSI-APRA比で2倍向上）させ、1.809 MeVで2.0° FWHMの空間分解能を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河系の中心部で観測される0.511 MeVの消失ラインを生成する過剰な陽電子の起源は何か。また、それらは銀河間物質をどのように伝播するのか。
• RQ2 26Alおよび60Feの空間的分布は、過去100万年間にわたり、大質量星形成およびコアコリプス超新星の歴史と場所をどのように反映しているか。
• RQ3 44Ti放射によって示唆される若く隠された超新星残骸は、どこに位置し、最近のコアコリプスイベントに関する何を明らかにするか。
• RQ4 ガンマ線バーストおよび降着するコンパクト天体の偏光特性は何か。それらは放射メカニズムと源の幾何構造をどのように制限するか。
• RQ5 COSIは、重力波および高エネルギーニュートリノイベントの電磁的対応天体を十分な感度と空間分解能で検出・局在化できるか。

主な発見

• 2年間の調査期間中に、0.511 MeVラインの3σ狭帯域感度は1.0×10⁻⁵ photons cm⁻² s⁻¹に達し、COMPTEL や INTEGRAL/SPI といった前例のミッションと比較して10倍の向上を達成した。
• 0.511 MeVで3.9 keVのrmsスペクトル分解能を達成し、1.157 MeVで3.9 keVを達成した。これにより、超新星爆発のダイナミクスを研究する上で極めて重要なラインプロファイル測定が可能になった。
• 0.511 MeVで3.8° FWHM、1.809 MeVで2.0° FWHMの空間分解能を達成し、銀河中心部および銀河ディスクの空間的構造を詳細に分離可能となった。
• ゲルマニウム検出器では25％以上の天の川をカバーし、アクティブシールドを含めると50％以上をカバーする視野を有し、毎日全天空モニタリングと効率的なGRB検出を可能にした。
• 2016年のCOSI-APRA高圧気球飛行により、画像化パイプラインおよび検出器モデリングが妥当性を確認され、拡張源分布および点源応答のシミュレーションが成功裏に実施された。
• データチャレンジプロジェクトでは、シミュレートされた天体物理学的源、完全な機器応答関数、COSIpy解析ソフトウェアを公開し、打ち上げ後のデータ解析に向けたコミュニティの準備を支援する。