[论文解读] The Hot and Energetic Universe: A White Paper presenting the science theme motivating the Athena+ mission

K. Nandra, D. Barret+238 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2013

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 4被引用 382

一句话总结

本白皮书倡导开展Athena+任务，通过实现X射线通量和空间分辨率10倍的提升，彻底革新我们对炽热与高能宇宙的理解，借助对宇宙时空中炽热重子物质及被遮蔽吸积活动的深度高分辨率X射线谱线观测，解决大尺度结构形成与超大质量黑洞反馈等基础科学问题。

ABSTRACT

This White Paper, submitted to the recent ESA call for science themes to define its future large missions, advocates the need for a transformational leap in our understanding of two key questions in astrophysics: 1) How does ordinary matter assemble into the large scale structures that we see today? 2) How do black holes grow and shape the Universe? Hot gas in clusters, groups and the intergalactic medium dominates the baryonic content of the local Universe. To understand the astrophysical processes responsible for the formation and assembly of these large structures, it is necessary to measure their physical properties and evolution. This requires spatially resolved X-ray spectroscopy with a factor 10 increase in both telescope throughput and spatial resolving power compared to currently planned facilities. Feedback from supermassive black holes is an essential ingredient in this process and in most galaxy evolution models, but it is not well understood. X-ray observations can uniquely reveal the mechanisms launching winds close to black holes and determine the coupling of the energy and matter flows on larger scales. Due to the effects of feedback, a complete understanding of galaxy evolution requires knowledge of the obscured growth of supermassive black holes through cosmic time, out to the redshifts where the first galaxies form. X-ray emission is the most reliable way to reveal accreting black holes, but deep survey speed must improve by a factor ~100 over current facilities to perform a full census into the early Universe. The Advanced Telescope for High Energy Astrophysics (Athena+) mission provides the necessary performance (e.g. angular resolution, spectral resolution, survey grasp) to address these questions and revolutionize our understanding of the Hot and Energetic Universe. These capabilities will also provide a powerful observatory to be used in all areas of astrophysics.

研究动机与目标

• 解决普通物质如何聚集形成大尺度宇宙结构这一尚未解决的天体物理学难题。
• 理解超大质量黑洞反馈在塑造星系演化及调控恒星形成中的作用。
• 通过深度X射线巡天，对宇宙时空中被遮蔽的黑洞增长过程进行全面普查。
• 实现深空巡天速度100倍的提升，以探测高红移吸积黑洞。
• 以前所未有的灵敏度，实现对星系团、星系群及星系际介质中炽热等离子体的空间分辨X射线谱线观测。

提出的方法

• 提出建设一个大型X射线天文台，其望远镜通量和空间分辨能力相较现有设施提升10倍。
• 利用高分辨率X射线谱线测量技术，探测宇宙时空中炽热等离子体的物理条件（温度、密度、电离度）。
• 通过提升巡天覆盖范围的增强能力，开展深度广域巡天，探测高红移处微弱且被遮蔽的活动星系核。
• 采用先进的X射线光学系统与超导纳米量热计谱仪，实现亚电子伏特量级的光谱分辨率，以精确测量多普勒频移。
• 结合空间与谱线数据，绘制星系团中炽热气体的动力学与能量分布，以及反馈驱动的喷流。
• 与现有及未来的多波段设施协同观测，将Athena+的观测结果置于更广泛的天体物理框架中加以解读。

实验结果

研究问题

• RQ1 普通重子物质如何聚集形成本地宇宙中观测到的大尺度结构？
• RQ2 驱动星系演化的超大质量黑洞反馈的物理机制及其能量预算是什么？
• RQ3 吸积过程与黑洞增长如何随宇宙时空中演化，特别是在被遮蔽的高红移系统中？
• RQ4 炽热弥散等离子体对宇宙重子物质含量的真实贡献是多少，其演化过程如何？
• RQ5 X射线谱线技术如何以足够高的精度解析星系团及反馈喷流中炽热气体的动力学与热力学特性？

主要发现

• 为解析大尺度结构中炽热等离子体的物理条件，需实现望远镜通量与空间分辨能力10倍的提升。
• X射线谱线技术在探测星系中心黑洞驱动风的激发机制与能量耦合方面具有独特优势。
• 为对高红移区域被遮蔽的黑洞增长过程进行全面普查，需实现深空巡天速度100倍的提升。
• 炽热星系际介质与星系团内介质主导了本地宇宙的重子物质含量，其研究对理解宇宙结构形成至关重要。
• 超大质量黑洞反馈是星系演化的重要但尚不明确的调控因素，需依赖高分辨率X射线数据才能实现完整表征。
• Athena+任务的设计旨在提供解决上述开放问题所必需的性能，从而彻底变革我们对炽热与高能宇宙的认知。