[논문 리뷰] The Infra-Red Telescope on board the THESEUS mission

D. Götz, O. Boulade외 20명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 05.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 9

한 줄 요약

THESEUS 미션의 탑재된 적외선 망원경(Infrared Telescope, IRT)은 연간 100~1000개의 감마선 폭발(Gamma-ray Burst, GRB) 후광을 탐지하고 분광학적 적색편이를 측정하기 위해 설계된 0.7m 카세그레인 망원경이다. 0.7–1.8 μm 범위에서 작동하며, 아크초 이내의 정밀한 위치 결정과 R ~ 500 수준의 분광학적 분석을 가능하게 하여 고적색편이 GRB의 정밀하고 빠른 후속 관측을 가능하게 하며, 우주론적 거리 측정과 다중메시저 천문학을 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

The Infra-Red Telescope (IRT) on board the Transient High Energy Sky and Early Universe Surveyor (THESEUS) ESA M5 candidate mission will play a key role in identifying and characterizing moderate to high redshift Gamma-Ray Bursts afterglows. The IRT is the enabling instrument on board THESEUS for measuring autonomously the redshift of the several hundreds of GRBs detected per year by the Soft X-ray Imager (SXI) and the X- and Gamma-Ray Imaging Spectrometer (XGIS), and thus allowing the big ground based telescopes to be triggered on a redshift pre-selected sample, and finally fulfilling the cosmological goals of the mission. The IRT will be composed by a primary mirror of 0.7 m of diameter coupled to a single camera in a Cassegrain design. It will work in the 0.7-1.8 μm wavelength range, and will provide a 10x10 arc min imaging field of view with sub-arc second localization capabilities, and, at the same time, a 5x5 arc min field of view with moderate (R up to ~500) spectroscopic capabilities. Its sensitivity, mainly limited by the satellite jitter, is adapted to detect all the GRBs, localized by the SXI/XGIS, and to acquire spectra for the majority of them.

연구 동기 및 목표

• 고적색편이 감마선 폭발 후광의 정밀한 적색편이 측정을 가능하게 하여 우주론적 연구를 위해.
• 지상 기반 후속 관측의 한계를 극복하기 위해, 아크초 이내 정밀도로 빠르고 우주 기반의 적외선 관측을 제공하기 위해.
• THESEUS 미션의 목표인 감마선 폭발 후광를 거리 지표로 활용해 초기 우주를 탐색하는 데 기여하기 위해.
• 근적외선 범위에서 분광 및 광도 측정 기능을 갖춘 영구적으로 개방된 공동체 접근 가능 시설을 제공하여 일시적 천체 후속 관측을 위해.
• X선 트리거를 수신한 후 자율적으로 신속하게 반응할 수 있도록 하여 지상 기반 네트워크에 대한 의존도를 줄이기 위해.

제안 방법

• IRT는 카세그레인 설계를 통해 0.7m 주망원경을 사용하여 아크초 이내 정밀도로 10×10 분면의 영역을 촬영할 수 있도록 한다.
• 0.7–1.8 μm 파장 범위에서 작동하여 고적색편이 GRB 후광를 AB mag(YJH)=24까지 탐지할 수 있다.
• 중간 해상도(R ~ 500)의 슬릿리스 분광학을 통해 5×5 분면의 영역을 커버하며, 적색편이 결정을 위한 분광학적 분석을 수행한다.
• SXI 및 XGIS 기구에서 발생하는 트리거 신호에 의해 자율적으로 작동하며, GRB 트리거 발생 후 몇 분 내로 이동 조정이 가능하다.
• 감도는 주로 위성의 진동에 의해 제한되지만, X선 기구가 탐지한 대부분의 GRB를 탐지하고 분광학적으로 특성화할 수 있도록 최적화되어 있다.
• 미션에는 타깃의 기회(ToO) 접근이 가능한 객원 관측자 프로그램이 포함되어 있어, GRB 이외의 일시적 천체 후속 관측을 위한 공동체 활용을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 우주 기반 적외선 망원경이 고적색편이 GRB 후광에 대해 아크초 이내 정밀도로 위치 결정과 중간 해상도 분광학을 수행할 수 있는가?
• RQ2 IRT는 연간 수백 개의 GRB에 대해 얼마나 효과적으로 적색편이 측정을 수행하여 초기 우주를 탐색할 수 있는가?
• RQ3 IRT는 자율적이고 신속한 반응을 통해 어떤 정도로 지상 기반 시설의 부담을 줄일 수 있는가?
• RQ4 IRT는 희미한 GRB 후광에 대해 적외선 범위에서 얼마나 민감하게 반응하는가? 그리고 지상 기반 시설과 비교해 봤을 때 어떤가?
• RQ5 IRT의 분광 및 광도 측정 기능은 GRB 이외의 분야에서 다중메시저 천문학과 우주론적 과학에 어떻게 기여할 수 있는가?

주요 결과

• IRT는 SXI 및 XGIS 기구가 탐지한 대부분의 GRB를 탐지하고 적색편이를 측정하여 정밀한 우주론적 거리 측정을 가능하게 한다.
• 1시간 내에 AB mag(YJH)=24의 감도를 확보하여, 지상 기반 2m급 망원경과 유사한 깊이에 도달하지만, 훨씬 더 신속하고 자율적인 운영이 가능하다.
• 아크초 이내 정밀도의 위치 결정을 달성하여, 일반적인 지상 기반 시스템보다 훨씬 뛰어난 소스 식별 능력을 제공한다.
• R ~ 500 수준의 분광학적 분석 덕분에 고적색편이 GRB에 대해 신뢰할 수 있는 적색편이 측정이 가능하며, 이는 우주론적 연구에 매우 중요하다.
• 트리거 발생 후 몇 분 내로 자율적으로 반응하여 초기 후광 방출을 최대한 빨리 관측함으로써 과학적 수확을 극대화한다.
• ToO 접근이 가능한 객원 관측자 프로그램이 포함되어 있어, 공동체의 광범위한 활용이 가능하며, GRB 우주론학을 넘어서 외계행성, T-태우리 항성, 초신성 Ia까지의 연구에까지 영향을 미친다.