[论文解读] The Transient High-Energy Sky and Early Universe Surveyor (THESEUS)

L. Amati|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2019

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 213被引用 18

一句话总结

THESEUS 是一项由欧空局提出的 M5 任务概念，旨在通过多仪器有效载荷，以角秒级精度探测、定位并测量宇宙时空中伽马射线暴（GRBs）的红移。该任务将通过结合宽场 X 射线和伽马射线监测与快速近红外后随观测，显著提升下一代设施（如 E-ELT、SKA、CTA 和引力波探测器）的科学产出，推动早期宇宙宇宙学、多信使天体物理学以及暂现源特征研究的突破性进展。

ABSTRACT

THESEUS is a space mission concept currently under Phase A study by ESA as candidate M5 mission, aiming at exploiting Gamma-Ray Bursts for investigating the early Universe and at providing a substantial advancement of multi-messenger and time-domain astrophysics. Through an unprecedented combination of X-/gamma-ray monitors, an on-board IR telescope and automated fast slewing capabilities, THESEUS will be a wonderful machine for the detection, characterization and redshift measurement of any kind of GRBs and many classes of X-ray transients. In addition to the full exploitation of high-redshift GRBs for cosmology (pop-III stars, cosmic re-ionization, SFR and metallicity evolution up to the "cosmic dawn"), THESEUS will allow the identification and study of the electromagnetic counterparts to sources of gravitational waves which will be routinely detected in the late '20s / early '30s by next generation facilities like aLIGO/aVirgo, LISA, KAGRA, and Einstein Telescope (ET), as well as of most classes of transient sources, thus providing an ideal synergy with the large e.m. facilities of the near future like LSST, ELT, TMT, SKA, CTA, ATHENA.

研究动机与目标

• 解决对早期宇宙的 fundamental 理解空白，包括第一代恒星（Pop III）的形成、再电离过程以及 z > 8 时的星系演化。
• 克服当前巡天的局限性，探测并表征目前设施无法观测到的高红移 GRBs（最高可达 z ≈ 12）。
• 通过实时、精确的电磁对应体定位，推动多信使天体物理学发展，实现对引力波与中微子源的对应观测。
• 填补对暗弱、低光度及超长持续时间 GRBs 以及其他高能天区暂现现象的发现空间。
• 为时域暂现源提供灵活的多波段后随观测能力，与下一代地基和空间天文台实现协同增益。

提出的方法

• 采用双仪器方法：软 X 射线成像仪（SXI）覆盖 0.3–5 keV，定位精度约 1 角分；X 射线与伽马射线成像光谱仪（XGIS）覆盖 2–30 keV，定位精度约 1 角分。
• 在星上集成一台 70 cm 级近红外望远镜（IRT），实现快速指向，对余晖与千新星的定位精度达 ~1 角秒。
• 在探测到 GRB 后数分钟内自主执行航天器姿态调整，以实现对暂现余晖的及时后随观测。
• 采用编码孔径相机，结合硅二极管与 CsI 直闪晶体，实现 2–10 MeV 波段的成像与光谱分析。
• 利用任务的宽视场（SXI 约 1 sr，XGIS 数个 sr）持续监测整个高能暂现天区。
• 通过红外余晖与千新星发射的测光与中等分辨率光谱分析，实现红移测定。

实验结果

研究问题

• RQ1 GRBs 是否可作为标准烛光，用于测量当前星系巡天无法触及范围内的宇宙恒星形成率？
• RQ2 高红移（z > 8–10）GRBs 的可探测性与源群特征如何？它们能否揭示第一代（Pop III）恒星的性质？
• RQ3 对引力波事件（如 NS-NS 并合）电磁对应体实现角秒级定位，如何提升宇宙距离测量的精度？
• RQ4 THESEUS 对亚能量 GRBs、X 射线闪光与超长持续时间 GRBs 的预期探测率与表征能力如何？
• RQ5 THESEUS 在与 E-ELT、SKA、CTA 和 ATHENA 等下一代设施协同进行多波段观测时，能在多大程度上提升其科学产出？

主要发现

• 预计 THESEUS 每年可探测并定位约 100 个 GRBs，包含显著比例的 z > 8–10 高红移源，远超当前能力。
• 对近红外余晖与千新星的定位精度可达 ~1 角秒，支持通过测光与光谱分析实现精确红移测定。
• THESEUS 预计可探测到短 GRBs 及 NS-NS 与 NS-BH 并合产生的千新星辐射，灵敏度足以覆盖第三代引力波探测器每年约 20 个事件的事件率。
• 任务可探测到红移 z = 12、各向同性能量 Eiso = 10^53 erg 的 GRBs，对应 GRB 能量分布的中位数。
• 任务将在数秒内提供约 1 角分的触发定位，数分钟内实现约 1 角秒的定位，支持光学、射电与 X 射线设施的快速后随观测。
• X 射线与近红外的同步观测将使数千个 X 射线与红外源得以研究，显著推进观测天文学与暂现源特征研究。