[論文レビュー] The Hot and Energetic Universe: A White Paper presenting the science theme motivating the Athena+ mission

K. Nandra, D. Barret+238 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2013

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 4被引用数 382

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、X線透過率と空間分解能を10倍向上させることで、宇宙時間にわたる高温バリオン物質および遮蔽された降着活動の深さと高分解能X線分光法を用いることで、『高温・高エネルギー宇宙』の理解を変革するアテナ＋ミッションの実現を提唱している。これにより、大規模構造形成や特大ブラックホールのフィードバックに関する根本的問いに答えることが可能になる。

ABSTRACT

This White Paper, submitted to the recent ESA call for science themes to define its future large missions, advocates the need for a transformational leap in our understanding of two key questions in astrophysics: 1) How does ordinary matter assemble into the large scale structures that we see today? 2) How do black holes grow and shape the Universe? Hot gas in clusters, groups and the intergalactic medium dominates the baryonic content of the local Universe. To understand the astrophysical processes responsible for the formation and assembly of these large structures, it is necessary to measure their physical properties and evolution. This requires spatially resolved X-ray spectroscopy with a factor 10 increase in both telescope throughput and spatial resolving power compared to currently planned facilities. Feedback from supermassive black holes is an essential ingredient in this process and in most galaxy evolution models, but it is not well understood. X-ray observations can uniquely reveal the mechanisms launching winds close to black holes and determine the coupling of the energy and matter flows on larger scales. Due to the effects of feedback, a complete understanding of galaxy evolution requires knowledge of the obscured growth of supermassive black holes through cosmic time, out to the redshifts where the first galaxies form. X-ray emission is the most reliable way to reveal accreting black holes, but deep survey speed must improve by a factor ~100 over current facilities to perform a full census into the early Universe. The Advanced Telescope for High Energy Astrophysics (Athena+) mission provides the necessary performance (e.g. angular resolution, spectral resolution, survey grasp) to address these questions and revolutionize our understanding of the Hot and Energetic Universe. These capabilities will also provide a powerful observatory to be used in all areas of astrophysics.

研究の動機と目的

• 通常の物質が大規模宇宙構造にどのように集積するかという未解決の天文学的課題に取り組む。
• 特大ブラックホールのフィードバックが銀河進化をどのように形作り、星形成をどのように制御するかを理解する。
• 宇宙時間にわたる遮蔽されたブラックホール成長の包括的アンケートを、深さのあるX線調査により行う。
• 高赤方偏移での降着ブラックホールを検出するため、深さ調査速度を100倍向上させる。
• これまでにない感度で、銀河団やグループ、および銀河間媒体におけるホットプラズマの空間分解X線分光法を可能にする。

提案手法

• 現在の施設よりも10倍の望遠鏡透過率と空間分解能を備えた大規模X線望遠鏡を提唱する。
• 高分解能X線分光法を用いて、宇宙時間にわたるホットプラズマの物理的状態（温度、密度、イオン化度）を測定する。
• 向上した調査範囲を活用した深さ・広域調査により、高赤方偏移における微弱で遮蔽された活動銀河核を検出する。
• 高度なX線光学系とマイクロカロリメータ分光計を用いて、0.1 eV未満のスペクトル分解能を達成し、正確なドップラーシフト測定を可能にする。
• 空間的およびスペクトル的情報を統合し、銀河団やフィードバック駆動型噴流におけるホットガスの力学的・エネルギー的性質をマップする。
• 既存および将来の施設と連携した多波長連携を活用し、アテナ＋の観測結果を広範な天文学的枠組みの中で解釈する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 通常のバリオン物質は、局所宇宙で観測される大規模構造にどのように集積するのか？
• RQ2 特大ブラックホールからのフィードバックの物理的メカニズムとエネルギー予算は、銀河進化にどのように寄与しているのか？
• RQ3 降着プロセスおよびブラックホール成長は、特に遮蔽され、高赤方偏移の系においてどのように進化するのか？
• RQ4 高温で拡散的なプラズマは、宇宙のバリオン物質に果たす真の寄与率は何か？ そしてその進化はいかなるものか？
• RQ5 X線分光法は、銀河団やフィードバック噴流におけるホットガスの運動論的および熱力学的性質を十分な精度で解明できるか？

主な発見

• 大規模構造におけるホットプラズマの物理的状態を解明するには、望遠鏡透過率と空間分解能を10倍向上させる必要がある。
• X線分光法は、銀河中心部におけるブラックホール駆動風の発生機構とエネルギー結合を独自に探査できる。
• 遮蔽されたブラックホール成長の包括的アンケートを高赤方偏移まで行うには、深さ調査速度を100倍向上させる必要がある。
• 高温の銀河間および銀河団内媒体は、局所宇宙のバリオン物質の大部分を占めており、宇宙構造形成の理解には不可欠である。
• 特大ブラックホールからのフィードバックは、銀河進化の主要要因ではあるが、未だ十分に理解されていない。高分解能X線データによる完全な特徴付けが求められる。
• アテナ＋ミッションは、これらの未解決の問いに答えるために必要な性能を備えて設計されており、『高温・高エネルギー宇宙』の理解を根本的に変革する。