[论文解读] Line Emission Mapper (LEM): Probing the physics of cosmic ecosystems

Ralph Kraft, Maxim Markevitch+108 more|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2022

Superconducting and THz Device Technology被引用 46

一句话总结

LEM 是一个拟议中的软 X 射线成像光谱仪（1–2 eV 分辨率），具备较大的观测捕获能力，用于绘制 CGM/IGM 发射并研究星系形成、反馈和重子流动。它使对来自星系及团体的弥散气体进行详细的、随红移区分的层析成像成为可能。

ABSTRACT

The Line Emission Mapper (LEM) is an X-ray Probe for the 2030s that will answer the outstanding questions of the Universe's structure formation. It will also provide transformative new observing capabilities for every area of astrophysics, and to heliophysics and planetary physics as well. LEM's main goal is a comprehensive look at the physics of galaxy formation, including stellar and black-hole feedback and flows of baryonic matter into and out of galaxies. These processes are best studied in X-rays, and emission-line mapping is the pressing need in this area. LEM will use a large microcalorimeter array/IFU, covering a 30x30' field with 10" angular resolution, to map the soft X-ray line emission from objects that constitute galactic ecosystems. These include supernova remnants, star-forming regions, superbubbles, galactic outflows (such as the Fermi/eROSITA bubbles in the Milky Way and their analogs in other galaxies), the Circumgalactic Medium in the Milky Way and other galaxies, and the Intergalactic Medium at the outskirts and beyond the confines of galaxies and clusters. LEM's 1-2 eV spectral resolution in the 0.2-2 keV band will make it possible to disentangle the faintest emission lines in those objects from the bright Milky Way foreground, providing groundbreaking measurements of the physics of these plasmas, from temperatures, densities, chemical composition to gas dynamics. While LEM's main focus is on galaxy formation, it will provide transformative capability for all classes of astrophysical objects, from the Earth's magnetosphere, planets and comets to the interstellar medium and X-ray binaries in nearby galaxies, AGN, and cooling gas in galaxy clusters. In addition to pointed observations, LEM will perform a shallow all-sky survey that will dramatically expand the discovery space.

研究动机与目标

• 通过弥散气体在星系内部、周围与星系之间（CGM/IGM）来研究星系形成的物理过程。
• 在软X射线带开展发射线成像以约束来自恒星和黑洞的反馈过程。
• 通过具有大观测覆盖度与高光谱分辨率的仪器，为广泛的天体系统提供变革性的观测能力。
• Facilitate both targeted observations and an all-sky survey to expand discovery space in X-ray astrophysics.

提出的方法

• 在0.2–2 keV 波段使用大规模微量热机阵列/IFU，具备1–2 eV 光谱分辨率。
• 采用擦襟入射 Si 镜设计，以实现 30′×30′ 的视场和 ~10′′ 的角分辨率。
• 采用 TES 微量热探测器，具备 ~13,806 个吸收像元，中心分辨率为 1 eV，外延覆盖使用 2 eV 分辨率的 Hydra。
• 提供非色散成像光谱学，通过利用多普勒位移/红移信息，将微弱的 CGM/IGM 信号与明亮的银河系前景分离。
• 利用一次浅层全天空 survey 来识别最佳深场 CGM/IGM 区域并拓展发现空间。

实验结果

研究问题

• RQ1 高分辨率非色散X射线光谱学如何绘制 CGM 与 IGM，以约束星系形成物理？
• RQ2 在0.2–2 keV 波段，1–2 eV 分辨率在多大程度上能够将星系外发射与银河系前景分离？
• RQ3 对 O vii、O viii 和 Fe xvii 的空间分辨线图能揭示星系晕中的气体温度、密度、金属丰度与动力学情况？
• RQ4 LEM 对丰度与速度的测量将如何为星系与团簇中的反馈、加热、冷却和化学丰富化模型提供信息？
• RQ5 一次全天空的浅层 survey 在发现空间与深部 CGM/IGM 观测目标选择方面将带来怎样的科学回报？

主要发现

• LEM 的 2 eV 光谱分辨率能够将微弱的 CGM/IGM 发射与银河系前景区分开来，从而在 z≥0.01 处实现晕图绘。
• 仿真显示 LEM 能在 O vii、O viii 和 Fe xvii 中对 CGM/IGM 发射进行成图，在较大半径处约束反馈物理。
• 大型观测覆盖度与中心阵列的 1 eV 分辨率使在明亮的银河晕和超新星残骸中实现速度测量与线诊断解析成为可能。
• 拥有 LEM 的全天空浅层 survey 将打开广阔的发现空间，并确定 CGM/IGM 研究的最佳深场目标。
• LEM 将量化分组/簇的 ICM 丰度与富集历史，并绘制直至 R200 的气体运动。
• 该任务设计目标在 2032 年发射，借鉴 XRISM/Athena 的传统，推动软X射线线发射研究的发展。