[论文解读] The Infra-Red Telescope on board the THESEUS mission

D. Götz, O. Boulade+20 more|arXiv (Cornell University)|Feb 5, 2018

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 9

一句话总结

THESEUS任务上的红外望远镜（IRT）是一台0.7米卡塞格林式望远镜，旨在每年探测并光谱测定100至1000个伽马射线暴（GRB）余晖的红移。该望远镜在0.7–1.8 μm波段工作，定位精度为亚角秒，光谱分辨率R ~ 500，可实现对高红移GRB的精确、快速后续观测，显著提升宇宙学距离测量与多信使天文学的研究能力。

ABSTRACT

The Infra-Red Telescope (IRT) on board the Transient High Energy Sky and Early Universe Surveyor (THESEUS) ESA M5 candidate mission will play a key role in identifying and characterizing moderate to high redshift Gamma-Ray Bursts afterglows. The IRT is the enabling instrument on board THESEUS for measuring autonomously the redshift of the several hundreds of GRBs detected per year by the Soft X-ray Imager (SXI) and the X- and Gamma-Ray Imaging Spectrometer (XGIS), and thus allowing the big ground based telescopes to be triggered on a redshift pre-selected sample, and finally fulfilling the cosmological goals of the mission. The IRT will be composed by a primary mirror of 0.7 m of diameter coupled to a single camera in a Cassegrain design. It will work in the 0.7-1.8 μm wavelength range, and will provide a 10x10 arc min imaging field of view with sub-arc second localization capabilities, and, at the same time, a 5x5 arc min field of view with moderate (R up to ~500) spectroscopic capabilities. Its sensitivity, mainly limited by the satellite jitter, is adapted to detect all the GRBs, localized by the SXI/XGIS, and to acquire spectra for the majority of them.

研究动机与目标

• 为高红移伽马射线暴余晖提供精确红移测量，以支持宇宙学研究。
• 通过提供快速、空间运行的近红外观测与亚角秒级定位，克服地面后续观测的局限性。
• 支持THESEUS任务利用GRB余晖作为距离指示器探测早期宇宙的目标。
• 为瞬变源后续观测提供灵活、面向社区开放的近红外光谱-测光设施。
• 通过提供自主、快速响应X射线触发的能力，减少对地面网络的依赖，实现对SXI和XGIS仪器触发事件的快速响应。

提出的方法

• IRT采用0.7米主镜的卡塞格林式设计，实现10×10角分的成像视场与亚角秒级指向精度。
• 工作波段为0.7–1.8 μm，可探测到AB mag(YJH)=24的高红移GRB余晖。
• 提供5×5角分视场，采用中等分辨率（R ~ 500）的无狭缝光谱技术，用于红移测定。
• IRT由THESEUS上的SXI和XGIS仪器自主触发，可在GRB触发后数分钟内进行指向调整。
• 灵敏度主要受限于卫星抖动，但已优化以探测并光谱表征X射线仪器所探测到的绝大多数GRB。
• 任务包含客座观测计划及目标机会（ToO）访问权限，使社区可将该设施用于GRB以外的瞬变源后续观测。

实验结果

研究问题

• RQ1 空间运行的近红外望远镜能否实现对高红移GRB余晖的亚角秒级定位与中等分辨率光谱观测？
• RQ2 IRT在每年探测数百个GRB方面，其红移测量能力在多大程度上可有效用于探测早期宇宙？
• RQ3 IRT在多大程度上可通过实现对瞬变X射线源的自主、快速后续观测，减轻地面设施的负担？
• RQ4 IRT对 faint GRB余晖在近红外波段的灵敏度如何？与地面设施相比表现如何？
• RQ5 IRT的光谱-测光能力将在多大程度上支持GRB以外的多信使与宇宙学科学研究？

主要发现

• IRT设计用于探测并获取SXI与XGIS仪器所探测到的绝大多数GRB的红移，从而实现精确的宇宙学距离测量。
• 在1小时内达到AB mag(YJH)=24的灵敏度，其深度与地面2米级望远镜相当，但速度与自主性更优。
• 该仪器实现亚角秒级定位，显著优于典型地面系统，大幅提升了源的识别能力。
• IRT的R ~ 500光谱观测可为高红移GRB提供稳健的红移测定，对宇宙学研究至关重要。
• 在触发后数分钟内实现自主响应，确保对早期余晖辐射的及时观测，最大化科学产出。
• 通过包含客座观测计划与ToO访问权限，确保了广泛的社区使用，使IRT的影响延伸至系外行星、T型Tauri星与Ia型超新星等研究领域。