[论文解读] The e-ASTROGAM mission (exploring the extreme Universe in the MeV-GeV range)

A. De Angelis, V. Tatischeff+66 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2016

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 1被引用 2

一句话总结

e-ASTROGAM 提出了一项先进的空间天文台任务，旨在利用康普顿散射和对产生望远镜，在 0.3 MeV 至 3 GeV 光子能量范围内以前所未有的灵敏度、角分辨率和能量分辨率，以及偏振测量能力，研究非热宇宙。该任务将实现对相对论喷流、核合成过程以及引力波事件对应体的开创性观测，显著推动高能天体物理学和核天体物理学的发展。

ABSTRACT

e-ASTROGAM (`enhanced ASTROGAM') is a breakthrough Observatory mission dedicated to the study of the non-thermal Universe in the photon energy range from 0.3 MeV to 3 GeV. The mission is based on an advanced space-proven detector technology, with unprecedented sensitivity, angular and energy resolution, combined with polarimetric capability. In the largely unexplored MeV-GeV domain, e-ASTROGAM will open a new window on the non-thermal Universe, making pioneering observations of the most powerful Galactic and extragalactic sources, elucidating the nature of their relativistic outflows and their effects on Galactic ecosystems. With a line sensitivity in the MeV energy range one to two orders of magnitude better than previous generation instruments, will determine the origin of key isotopes fundamental for the understanding of supernova explosion and the chemical evolution of our Galaxy. The mission will provide unique data of significant interest to a broad astronomical community, complementary to powerful observatories such as LIGO-Virgo-GEO600-KAGRA, SKA, ALMA, E-ELT, TMT, LSST, JWST, Athena, CTA, IceCube, KM3NeT, and the promise of eLISA. Keywords: High-energy gamma-ray astronomy, High-energy astrophysics, Nuclear Astrophysics, Compton and Pair creation telescope, Gamma-ray bursts, Active Galactic Nuclei, Jets, Outflows, Multiwavelength observations of the Universe, Counterparts of gravitational waves, Fermi, Dark Matter, Nucleosynthesis, Early Universe, Supernovae, Cosmic Rays, Cosmic antimatter.

研究动机与目标

• 利用先进的、经空间验证的探测器技术，探索在很大程度上尚未被探测的 MeV-GeV 能量范围内的非热宇宙。
• 通过实现比以往仪器高一到两个数量级的谱线灵敏度，确定超新星中产生的关键核素的起源。
• 研究来自银河系和河外源（包括活动星系核和伽马射线暴）的相对论喷流和喷流。
• 为 LIGO、CTA、JWST 和 IceCube 等多信使天文台提供互补数据，增强多波段和多信使研究。
• 通过高分辨率伽马射线和偏振观测，研究宇宙射线、宇宙反物质以及早期宇宙。

提出的方法

• 采用专为 0.3 MeV 至 3 GeV 范围内高灵敏度和能量分辨率优化的康普顿散射与对产生望远镜设计。
• 采用先进的探测器技术，提升角分辨率和偏振测量能力，以区分源的形态和辐射机制。
• 开展深空巡天，其 MeV 波段的谱线灵敏度比以往仪器高出一到两个数量级。
• 整合来自 LIGO-Virgo-GEO600-KAGRA、SKA、ALMA、E-ELT、TMT、LSST、JWST、Athena、CTA、IceCube、KM3NeT 和 eLISA 等多波段和多信使设施的数据。
• 应用偏振测量技术，探测相对论喷流和喷流中磁场结构及辐射过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 超新星爆发中产生的关键核素的起源是什么？它们如何影响银河系的化学演化？
• RQ2 驱动活动星系核和伽马射线暴中相对论喷流和喷流的物理机制是什么？
• RQ3 来自宇宙源的高能伽马射线辐射与 LIGO 和 Virgo 探测到的引力波对应体之间有何关联？
• RQ4 高分辨率和偏振伽马射线观测能对暗物质湮灭或衰变信号施加何种约束？
• RQ5 宇宙射线和宇宙反物质的产生机制在不同天体物理环境中如何变化？

主要发现

• e-ASTROGAM 将在 MeV 能量范围实现比上一代仪器高一到两个数量级的谱线灵敏度，从而实现精确的核合成研究。
• 该任务将提供关于相对论喷流的唯一偏振数据，使喷流和喷流中磁场构型的详细测绘成为可能。
• 它将实现对引力波事件高能伽马射线对应体的更优定位和更高灵敏度探测，从而增强多信使天文学。
• 该望远镜将利用高能量分辨率解析超新星遗迹的伽马射线发射线，直接探测放射性核素的合成过程。
• e-ASTROGAM 将首次对 MeV-GeV 波段的非热宇宙进行全面普查，揭示此前未被探测到的源和辐射过程。
• 该任务将与现有及未来的天文台（如 JWST、CTA 和 eLISA）形成互补，成为下一代高能天体物理学基础设施的核心。