[论文解读] POEMMA (Probe of Extreme Multi-Messenger Astrophysics) design

Angela V. Olinto, J. H. Adams+43 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 23被引用 11

一句话总结

POEMMA 是一项美国国家航空航天局（NASA）的探测级任务，计划发射两颗相同的机载观测站，通过探测地球大气层中产生的广延空气簇射，来观测能量超过20 EeV的超高能宇宙射线（UHECRs）和能量超过20 PeV的宇宙中微子。在525公里的高空，利用配备紫外荧光与光学切伦科夫探测功能的双光度计，实现立体观测与瞬变源后续观测，显著推动极端能量下的多信使天体物理学研究。

ABSTRACT

The Probe Of Extreme Multi-Messenger Astrophysics (POEMMA) is a NASA Astrophysics probe-class mission designed to observe ultra-high energy cosmic rays (UHECRs) and cosmic neutrinos from space. Astro2020 APC white paper: Medium-class Space Particle Astrophysics Project.

研究动机与目标

• 揭示能量高于20 EeV的超高能宇宙射线（UHECRs）的起源与成分。
• 探测来自极端天体物理瞬变源（如黑洞并合与伽马射暴）的高能中微子辐射。
• 通过探测从数十PeV至数十ZeV能量区间的宇宙中微子，探索标准模型之外的物理规律。
• 实现对瞬时发光事件与高能中微子爆发的“机会目标”后续观测。
• 利用多信使信号研究大气动力学、流星体以及核子素等奇异粒子。

提出的方法

• 在525公里高度以松散编队部署两颗完全相同的观测站，以单目与立体模式观测广延空气簇射（EAS）。
• 采用4米口径施密特望远镜，配备45°视场光学系统与混合光度计焦面，实现同时探测紫外荧光（1 μs时间分辨率）与光学切伦科夫辐射（20 ns时间分辨率）。
• 指向范围从近 nadir（用于立体荧光观测）至约47°偏离 nadir（用于监测地球边缘，探测τ中微子引发的簇射与UHECR产生的切伦科夫辐射）。
• 采用双相机系统：快速紫外相机用于荧光信号探测，超快光学相机用于探测相对论性簇射粒子产生的切伦科夫光。
• 对整个天空进行观测，以在目标能量范围内实现超高统计精度的UHECR与中微子探测。
• 采用系统工程与任务保证方法，符合B类任务标准，并基于GSFC IDC与MSFC ECO参数化模型进行成本建模。

实验结果

研究问题

• RQ1 能量高于20 EeV的超高能宇宙射线的天体物理来源与加速机制是什么？
• RQ2 并合的黑洞、中子星或白矮星双星系统是否会产生能量高于20 PeV的高能中微子？
• RQ3 耀变体爆发与伽马射暴期间，高能中微子辐射的性质如何？
• RQ4 UHECRs 如何与银河系及河外磁场以及地球大气层相互作用？
• RQ5 POEMMA 能否通过极端能量区间的宇宙中微子能谱探测到标准模型之外的物理现象？

主要发现

• POEMMA 全生命周期成本估算为9.4亿至10.5亿美元（2018财年美元），第二颗航天器成本占首颗的25%，主要得益于系统复用与任务保证成本降低。
• 该任务设计实现第二颗航天器成本增加25%，与B类任务中重复航天器的历史趋势一致。
• 光度计采用4米口径施密特光学系统，视场45°，完全满足所有科学需求，且可利用现有技术制造。
• 快门门系统被识别为最高任务风险，但初步设计阶段正在评估替代指向策略。
• 单颗航天器的单位质量成本比与以往任务趋势一致，而完整任务（两颗航天器）的成本比非成像任务趋势线略低。
• 任务时间表（2029年发射，2023年启动A阶段）被认为可行，得益于模块化设计与重复系统配置。