[论文解读] The THESEUS space mission: science goals, requirements and mission concept

L. Amati, P. T. O’Brien+32 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 65被引用 80

一句话总结

THESEUS 是一项由欧空局提出的 M5 任务概念，旨在利用覆盖宽场 X 射线和近红外（NIR）能力的多波段有效载荷，研究高红移伽马射线暴（GRBs）和多信使暂现源。通过高灵敏度探测和快速在轨处理，该任务旨在探测宇宙再电离、早期恒星形成以及第一代星系，同时支持引力波和中微子对应体的实时警报。

ABSTRACT

THESEUS, one of the two space mission concepts being studied by ESA as candidates for next M5 mission within its Comsic Vision programme, aims at fully exploiting Gamma-Ray Bursts (GRB) to solve key questions about the early Universe, as well as becoming a cornerstone of multi-messenger and time-domain astrophysics. By investigating the first billion years of the Universe through high-redshift GRBs, THESEUS will shed light on the main open issues in modern cosmology, such as the population of primordial low mass and luminosity galaxies, sources and evolution of cosmic re-ionization, SFR and metallicity evolution up to the “cosmic dawn” and across Pop-III stars. At the same time, the mission will provide a substantial advancement of multi-messenger and time-domain astrophysics by enabling the identification, accurate localisation and study of electromagnetic counterparts to sources of gravitational waves and neutrinos, which will be routinely detected in the late ‘20s and early ‘30s by the second and third generation Gravitational Wave (GW) interferometers and future neutrino detectors, as well as of all kinds of GRBs and most classes of other X/gamma-ray transient sources. Under all these respects, THESEUS will provide great synergies with future large observing facilities in the multi-messenger domain. A Guest Observer programme, comprising Target of Opportunity (ToO) observations, will expand the science return of the mission, to include, e.g., solar system minor bodies, exoplanets, and AGN.

研究动机与目标

• 通过观测高红移 GRBs 探究宇宙再电离、恒星形成和金属丰度演化，以研究早期宇宙。
• 实现实时探测与定位高能暂现源，支持引力波和中微子对应体的多信使天文学。
• 通过在 X 射线和近红外波段以高灵敏度和快速响应监测暂现源，推动时域天体物理学的发展。
• 通过与下一代设施（如 ATHENA、ELT 和第三代引力波探测器）集成，在 2030 年代多信使时代中发挥核心作用。
• 通过客座观测员计划（包括目标机会观测和公共数据政策）最大化科学回报。

提出的方法

• 利用覆盖 0.3 keV 至 10 MeV 范围的宽场 X 射线成像仪（XGIS）和软 X 射线成像仪（SXI），实现深空、全天监测。
• 集成在轨近红外（NIR）仪器，实现在触发后数分钟内对暂现源进行快速识别、角秒级定位和红移测定。
• 实施自主航天器系统，具备灵活指向能力，并在数秒内将触发警报快速下传至地面站。
• 采用多仪器有效载荷，具备高吞吐量和角分辨率，以探测和表征 GRB 余晖及其他暂现源。
• 建立科学数据中心（SDC），实现对触发事件的实时监控、警报分发，并设立目标机会筛选团队以优先处理暂现源触发。
• 在科学管理计划下运行，确保数据在数小时内公开发布，高红移 GRB 数据（如 z > 6）的专有期仅限 6 个月。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用高红移 GRBs 探测宇宙再电离历史以及第一代星系的性质？
• RQ2 GRBs 在追踪‘宇宙黎明’时期（z > 6）恒星形成与金属丰度演化中扮演何种角色？
• RQ3 THESEUS 如何实现在 2030 年代对引力波和中微子事件电磁对应体的早期探测与定位？
• RQ4 何种最优的数据政策与科学管理框架可最大化社区参与度与科学回报？
• RQ5 该任务的多波段能力如何提升未来大型设施对暂现源的筛选与后续观测效率？

主要发现

• THESEUS 预计每年可探测并定位约 1 个高红移 GRB（z > 6），显著超过过去 20 年累计探测率。
• 该任务的宽场 X 射线与 NIR 仪器可在 GRB 触发后数分钟内实现角秒级定位与红移测定。
• 在轨自主系统可在数秒内将触发警报下传至地面，使地面和空间望远镜能迅速开展后续观测。
• 与以往任务相比，该任务在探测高红移 GRB 余晖方面的灵敏度将提升 1000 倍。
• 科学管理计划确保数据在数小时内公开发布，最高红移 GRB（z > 6）数据的专有期仅为 6 个月。
• 客座观测员计划将允许社区主导的观测，包括目标机会触发和调查模式指向调整，GO 数据的专有期为 3 个月。