[논문 리뷰] The THESEUS space mission: science goals, requirements and mission concept

L. Amati, P. T. O’Brien외 32명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 01.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 65인용 수 80

한 줄 요약

THESEUS는 고적도 감마선 폭발(GRBs)과 다중메신저 변동천체를 광역적 X선 및 근적외선(NIR) 능력을 갖춘 다중 파장 유용부를 통해 연구하기 위해 제안된 유럽우주국(ESA)의 M5 임무 개념이다. 고감도 및 실시간 차량 내 처리를 통해 GRB를 탐지하고 정위치함으로써, 간성 재이온화, 초기 항성 형성 및 첫 번째 은하를 탐구하고자 하며, 중력파 및 뉴트리노 병행체에 대한 실시간 경고를 제공한다.

ABSTRACT

THESEUS, one of the two space mission concepts being studied by ESA as candidates for next M5 mission within its Comsic Vision programme, aims at fully exploiting Gamma-Ray Bursts (GRB) to solve key questions about the early Universe, as well as becoming a cornerstone of multi-messenger and time-domain astrophysics. By investigating the first billion years of the Universe through high-redshift GRBs, THESEUS will shed light on the main open issues in modern cosmology, such as the population of primordial low mass and luminosity galaxies, sources and evolution of cosmic re-ionization, SFR and metallicity evolution up to the “cosmic dawn” and across Pop-III stars. At the same time, the mission will provide a substantial advancement of multi-messenger and time-domain astrophysics by enabling the identification, accurate localisation and study of electromagnetic counterparts to sources of gravitational waves and neutrinos, which will be routinely detected in the late ‘20s and early ‘30s by the second and third generation Gravitational Wave (GW) interferometers and future neutrino detectors, as well as of all kinds of GRBs and most classes of other X/gamma-ray transient sources. Under all these respects, THESEUS will provide great synergies with future large observing facilities in the multi-messenger domain. A Guest Observer programme, comprising Target of Opportunity (ToO) observations, will expand the science return of the mission, to include, e.g., solar system minor bodies, exoplanets, and AGN.

연구 동기 및 목표

• 고적도 GRB를 관측하여 간성 재이온화, 항성 형성 및 금속 농도 진화를 탐구함으로써 초기 우주를 연구한다.
• 고에너지 변동천체의 실시간 탐지 및 정위치를 가능하게 하여 중력파 및 뉴트리노 병행체를 포함한 다중메신저 천문학을 지원한다.
• 높은 감도와 빠른 반응을 갖춘 X선 및 근적외선 대역에서의 임시 천체 모니터링을 통해 시간 영역 천문학을 발전시킨다.
• ATHENA, ELT 및 제3세대 중력파 탐지기와 같은 차세대 시설과 통합되어 2030년대 다중메신저 시대의 핵심 역할을 한다.
• 게스트 오퍼레이터 프로그램을 통해 과학적 수익을 극대화하고, 임시 관측 대상(ToO) 관측과 공개 데이터 정책을 포함한다.

제안 방법

• 0.3 keV에서 10 MeV까지를 커버하는 광역적 X선 이미저(XGIS)와 연성 X선 이미저(SXI)를 활용하여 깊고 전천구적인 모니터링을 수행한다.
• 실시간 임시 천체 식별, 초당 위치 정확도, 그리고 트리거 이후 몇 분 내에 적색편이 결정을 위한 차량 내 근적외선(NIR) 기구를 통합한다.
• 유연한 향상 기능과 함께 실시간으로 지상 기지에 트리거 경고를 전송하는 자율 우주선 시스템을 구현한다.
• 고감도 및 고각 해상도를 갖춘 다중 기구 유용부를 활용하여 GRB 후광 및 기타 임시 천체를 탐지하고 특성화한다.
• 실시간 모니터링, 경고 배포, 그리고 ToO 선별 팀을 포함한 과학 데이터 센터(SDC)를 구축한다.
• 공개 데이터 배포를 시간 내에 보장하는 과학 관리 계획을 운영하며, 고적도 GRB 데이터의 경우 제한된 전속 기간(예: z > 6에 대해 6개월)을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고적도 GRB는 어떻게 간성 재이온화 역사를 탐구하고 첫 번째 은하의 특성을 밝힐 수 있는가?
• RQ2 GRB는 '우주의 아침'(z > 6) 기간 동안 항성 형성과 금속 농도 진화를 어떻게 추적하는가?
• RQ3 THESEUS는 2030년대 중력파 및 뉴트리노 사건의 전기적 병행체를 조기에 탐지하고 정위치할 수 있는가?
• RQ4 공동체 참여와 과학적 수익을 극대화하기 위해 최적의 데이터 정책 및 과학 관리 프레임워크는 무엇인가?
• RQ5 이 미션의 다중 파장 능력은 향후 대규모 시설을 위한 임시 천체의 선별 및 후속 관측을 어떻게 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• THESEUS는 연간 약 1건의 고적도 GRB(z > 6)를 탐지하고 정위치할 것으로 예측되며, 이는 지난 20년간 누적 탐지율을 크게 초월한다.
• 이 미션의 광역적 X선 및 NIR 기구는 GRB 트리거 이후 몇 분 내에 초당 위치 정확도로 정위치 및 적색편이 결정이 가능하다.
• 차량 내 자율 시스템은 트리거 경고를 몇 초 내에 지상 기지에 전송하여 지상 및 저궤도 천체망원경의 신속한 후속 관측을 가능하게 한다.
• 이 미션은 이전 임무 대비 고적도 GRB 후광 탐지 감도를 1000배 향상시킬 것으로 기대된다.
• 과학 관리 계획은 공개 데이터 배포를 몇 시간 내로 보장하며, 가장 높은 적색편이 GRB(z > 6) 데이터의 경우 전속 기간을 6개월 이내로 제한한다.
• 게스트 오퍼레이터 프로그램은 공동체 주도의 관측을 허용하며, ToO 트리거 및 설문 모드 포인팅 조정이 가능하며, GO 데이터의 경우 전속 기간을 3개월 이내로 설정한다.