[论文解读] eROSITA on SRG: a X-ray all-sky survey mission

N. Cappelluti, P. Predehl+24 more|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2010

Space Technology and Applications参考文献 1被引用 8

一句话总结

eROSITA 在 SRG 任务中利用七台沃尔特-I 型望远镜和 pn-CCD 探测器，开展深度全天 X 射线巡天，探测约 50,000 至 100,000 个星系团，红移最高达 z ≈ 1.3。其在 1.5 keV 能量处的有效面积约为 1500 cm²，角分辨率为 25–30 角秒，灵敏度比 ROSAT 提高了 30 倍，从而可通过星系团质量函数和功率谱演化，实现对暗能量和大尺度结构的精确宇宙学约束。

ABSTRACT

eROSITA (extended ROentgen Survey with an Imaging Telescope Array) is the core instrument on the Russian Spektrum-Roentgen-Gamma (SRG) mission which is scheduled for launch in late 2012. eROSITA is fully approved and funded by the German Space Agency DLR and the Max-Planck-Society. The design driving science is the detection of 50 - 100 thousands Clusters of Galaxies up to redshift z ~ 1.3 in order to study the large scale structure in the Universe and test cosmological models, especially Dark Energy. This will be accomplished by an all-sky survey lasting for four years plus a phase of pointed observations. eROSITA consists of seven Wolter-I telescope modules, each equipped with 54 Wolter-I shells having an outer diameter of 360 mm. This would provide and effective area at 1.5 keV of ~ 1500 cm2 and an on axis PSF HEW of 15" which would provide an effective angular resolution of 25"-30". In the focus of each mirror module, a fast frame-store pn-CCD will provide a field of view of 1 deg in diameter for an active FOV of ~ 0.83 deg^2. At the time of writing the instrument development is currently in phase C/D.

研究动机与目标

• 开展深度全天 X 射线巡天，探测星系团作为大尺度结构的示踪体。
• 测量星系团质量函数和功率谱的演化，以约束宇宙学参数，特别是暗能量。
• 通过为期 4 年的全天巡天，利用 7 台沃尔特-I 型望远镜和高效率 pn-CCD，实现比 ROSAT 灵敏度提高 30 倍。
• 利用 X 射线和苏尼亚耶夫-泽尔多维奇效应，识别并表征质量为 3.5×10¹⁴ h⁻¹ M☉ 及以上的星系团，红移最高达 z ≈ 1.3。
• 提供一个统计上完整的 50,000 至 100,000 个星系团样本，用于多种宇宙学检验之间的一致性检查。

提出的方法

• eROSITA 使用七台沃尔特-I 型望远镜模块，每台包含 54 个嵌套壳层，实现 1.5 keV 能量处约 1500 cm² 的有效面积，以及 15 角秒的轴上点扩散函数（PSF）。
• 每台望远镜模块在其焦点处使用快速帧存储 pn-CCD，提供 1° 直径的视场，有效视场约为 0.83 deg²。
• 该仪器在拉格朗日 L2 点附近以扫描模式运行，进行为期 4 年的全天巡天，并观测两个深空黄道极场。
• 灵敏度针对探测热星系团内介质发射进行了优化，全天巡天中 0.5–2 keV 能段的通量极限约为 ~3×10⁻¹⁴ erg cm⁻² s⁻¹。
• 背景建模包括宇宙射线和粒子诱导背景，0.5–2 keV 能段的背景率为 5.63 cts s⁻¹ deg⁻²。
• 模拟综合考虑了宇宙背景和粒子背景、活动星系核（AGN）以及来自流体动力学模拟的星系团源，以预测源混淆和探测极限。

实验结果

研究问题

• RQ1 eROSITA 在整个天区范围内，预计可探测到多少个红移 z ≈ 1.3 以内的星系团？
• RQ2 eROSITA 在视场范围内的平均角分辨率如何影响源混淆和星系团探测？
• RQ3 在全天巡天期间，eROSITA 对点源和扩展源在 0.5–2 keV 和 2–10 keV 能段的灵敏度如何？
• RQ4 在接近混淆极限的通量水平下，eROSITA 能在多大程度上将中等扩展的星系团源与活动星系核（AGN）区分开来？
• RQ5 与现有巡天（如 XMM-COSMOS）相比，eROSITA 预测的星系团和 AGN 源计数如何？预期的总源数是多少？

主要发现

• eROSITA 预计将探测到 50,000 至 100,000 个红移 z ≈ 1.3 以内的星系团，具体数量取决于其分离扩展源与 AGN 的能力。
• 在全天巡天期间，eROSITA 在 0.5–2 keV 能段的 5σ 点源灵敏度约为 ~10⁻¹⁴ erg cm⁻² s⁻¹，在 2–10 keV 能段约为 ~3×10⁻¹³ erg cm⁻² s⁻¹。
• 在黄道极区，通量极限提升至 ~2×10⁻¹⁵ erg cm⁻² s⁻¹（0.5–2 keV）和 ~3×10⁻¹⁴ erg cm⁻² s⁻¹（2–10 keV），曝光时间为 20–40 ks。
• 视场范围内的平均角分辨率约为 28 角秒，30′ 偏离轴角度处的 HEW 为 30 角秒，可实现对星系团与 AGN 的可靠分离。
• 当曝光时间达到 ~20 ks 时，巡天将达到光子限制灵敏度，0.5–2 keV 能段的混淆极限（每 10 个光束 1 个源）在 20–30 ks 时达到。
• 模拟预测将探测到 3–10×10⁶ 个源，包括红移 z ≈ 7–8 以内的 AGN，基于 XMM-COSMOS 的 logN-logS 外推结果。