[论文解读] The Compton Spectrometer and Imager

John A. Tomsick, Steven E. Boggs+73 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2023

Nuclear Physics and Applications被引用 16

一句话总结

康普顿光谱仪与成像仪（COSI）是 NASA SMEX 任务概念，使用锗探测器的宽场 MeV 伽马射线望远镜，能够实现整个天空的成像、光谱学与偏振测量，覆盖 0.25 MeV。

ABSTRACT

The Compton Spectrometer and Imager (COSI) is a NASA Small Explorer (SMEX) satellite mission in development with a planned launch in 2027. COSI is a wide-field gamma-ray telescope designed to survey the entire sky at 0.2-5 MeV. It provides imaging, spectroscopy, and polarimetry of astrophysical sources, and its germanium detectors provide excellent energy resolution for emission line measurements. Science goals for COSI include studies of 0.511 MeV emission from antimatter annihilation in the Galaxy, mapping radioactive elements from nucleosynthesis, determining emission mechanisms and source geometries with polarization measurements, and detecting and localizing multimessenger sources. The instantaneous field of view for the germanium detectors is >25% of the sky, and they are surrounded on the sides and bottom by active shields, providing background rejection as well as allowing for detection of gamma-ray bursts and other gamma-ray flares over most of the sky. In the following, we provide an overview of the COSI mission, including the science, the technical design, and the project status.

研究动机与目标

• 通过银河中 0.511 MeV 发射研究 Galactic positrons 的起源。
• 使用核伽马射线线（如 1.157, 1.173, 1.333, 1.809 MeV）来绘制来自核合成的放射性元素分布。
• 开发敏感的偏振测量能力，以研究极端环境和多信使事件。
• 实现对来自多信使源的短伽马射线暴的快速定位与公开通报。

提出的方法

• 采用康普顿望远镜架构，伽马射线在最终光吸收前通过康普顿散射相互作用。
• 利用双面条带锗探测器实现精确能量测量和三维相互作用定位（每边 64 条条带，间距 1.162 mm），并利用上升时间差来推断深度。
• 将 16 个探测器（8 cm3）在真空低温装置中冷却至 8090 K；通过提供每个通道定时和光谱的 ASIC 读取。
• 用主动屏蔽层（BGO 萤石晶体，由 SiPM 读取）环绕探测器，以进行背景抑制和瞬变监测。
• 采用基于低温机的热去除子系统（CHRS）为锗探测器阵列供电。
• 提供全天空观测能力，瞬时视场大于 25%，关键线和偏振的 12 年观测灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 COSI 能否绘制具有子结构的 0.511 MeV 银河发射，并分辨银河盘的纬度扩展?
• RQ2 在 MeV 波段，44Ti、60Fe、26Al线的探测灵敏度和成像能力为何，以及它们与前任任务相比如何?
• RQ3 在 0.25 MeV 带中的偏振测量能否区分 GRB 的同步辐射与光球原始发射模型?
• RQ4 COSI 能如何有效探测并定位短 GRB，并实现多信使天体物理学的快速公开通报?
• RQ5 COSI 在通过 MeV 伽马射线约束银河扩散连续发射、探测暗物质以及异常物理学方面的潜力如何?

主要发现

• COSI 以 0.25 MeV 为目标，具有大视场（>25% 的天空）以及低温冷却的锗探测器以实现高能量分辨率。
• 该仪器设计能够在关键线（0.511、1.157、1.173、1.333、1.809 MeV）下实现全银河图像，并对明亮源进行偏振测量。
• 表 1 概述了四个 MeV 线测量和偏振目标的具体光谱、角度和线灵敏度要求（例如 0.511 MeV 线分辨率和对星系核AGN的偏振灵敏度）。
• COSI 在 MeV 波段提供比先前任务如 COMPTEL 和 INTEGRAL 更高的灵敏度和角分辨率。
• 通过快速下行和基于屏蔽的瞬变监测，实现公开的、<1 小时的 GRB 定位以及约 1° 的定位精度。
• 扩展的科学案例包括与多信使事件、银河弥散发射以及 MeV 带潜在的暗物质信号相关的研究。