X-ray microcalorimeterが拓く宇宙物理 Astro-E2 将来の大型ミッション 小型ミッション

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1 X-ray microcalorimeterが拓く宇宙物理 Astro-E2 将来の大型ミッション 小型ミッション
X-ray microcalorimeterが拓く宇宙物理 Astro-E2 将来の大型ミッション 小型ミッション 宇宙研　満田 2001年9月26日 名古屋大学集中講議 Oct. 26, 2001

2 Astro-E2 observatory High throughput wide-band ( keV) spectroscopy High resolution (DE=10eV) spectroscopy Astro-Eのrecovery mission 2005年2月24日 M-V-8ロケットにより鹿児島県内之浦より打ち上げ予定 Oct. 26, 2001

3 Astro-E 衛星 2000年2月。打ち上げロケットの不具合により南大平洋へ 右は組み立て途中の写真 K.Mitsuda@ISAS
Oct. 26, 2001

4 Astro-EのX線検出器 HXD XRS（X線マイクロカロリメータ） XIS（X-ray CCD Camera）
Astro-EのX線検出器 HXD (Si PIN + BGO/GSOシンチレータ) エネルギー範囲： keV XRS（X線マイクロカロリメータ） エネルギー範囲：0.5-12keV エネルギー分解能(FWHM)： 12eV XIS（X-ray CCD Camera） エネルギー範囲： keV エネルギー分解能(FWHM)： keV Oct. 26, 2001

5 エネルギー分解能 典型的なX線検出器の 単色X線（上）に対する 検出器のレスポンス（下）
エネルギー分解能 典型的なX線検出器の 単色X線（上）に対する 検出器のレスポンス（下） ASCA SIS, ASTRO-E XIS (X線CCDカメラ) FWHM= 120 ASTRO-E XRS (X線マイクロカロリメータ) FWHM = 12 eV 究極のTESカロリメータ FWHM 〜 1 eV （???) Oct. 26, 2001

6 エネルギー分解能による見え方の違い 高温プラズマからの熱放射 温度5keV（約5千万度） 太陽組成 を仮定 K.Mitsuda@ISAS
Oct. 26, 2001

7 2000年代の高分解能X線スペクトロスコピーミッション
2000年代の高分解能X線スペクトロスコピーミッション 分散系(X線検出器の前に分光器） AXAF TG、XMM RGS トランスミッショングレーティング 非分散系(X線検出器自身で分光） Astro-E2 XRS マイクロカロリメータ Chandra Astro-E2 XMM Oct. 26, 2001

8 グレーティング vs カロリメータ 有効面積は>1keV 分解能は2>keV でXRS 広がったX線源
グレーティング vs カロリメータ 有効面積は>1keV 分解能は2>keV でXRS 広がったX線源 Oct. 26, 2001

9 XRS 宇宙研、都立大、理研、NASA/GSFC, ウイスコンシン大 Oct. 26, 2001

10 XRS Calorimeter Array 2x16 bilinear array Oct. 26, 2001

11 XRSの冷却系 4段式冷凍機 打ち上げ時 Dewar 重量約390kg 冷媒寿命 2.5 − 3年 断熱消磁冷凍機 60mK
XRSの冷却系 4段式冷凍機 断熱消磁冷凍機　60mK 超流動ヘリウム（30リットル）1.3K 固体ネオン（120リットル）17K 機械式冷凍機（OVCS冷却）　約100K 打ち上げ時 Dewar 重量約390kg 冷媒寿命 2.5 − 3年 Oct. 26, 2001

12 He insert & Ne Dewar FEA & ADRをHe insertへ組み込み
He insert & Ne Dewar FEA & ADRをHe insertへ組み込み He insert（Ne Dewarに組み込まれたところ） Ne shieldを被る Oct. 26, 2001

13 XRS Cryogenic system Ne Dewar
XRS Cryogenic system Ne Dewar Ne Dewar （上部ドーム部組み立て前） He insertを組み込んだところ Oct. 26, 2001

14 機械式冷凍機 Astro-E2で採用予定 寿命1.9年から2.5年以上へ Astro-E検討時の問題点をclear
機械式冷凍機 Astro-E2で採用予定 寿命1.9年から2.5年以上へ Astro-E検討時の問題点をclear Microphonicsが問題なら観測中off（寿命　約2.5年） 冷凍機を搭載しても全く使わなくても、寿命 1.9年 Oct. 26, 2001

15 X線入射経路 Optical Blocking Filters X線を透過させ、かつ、カロリメータへの熱入力を断つ
X線入射経路 Optical Blocking Filters X線を透過させ、かつ、カロリメータへの熱入力を断つ ５層のフィルター 　Filter Wheel X-ray counting rateを下げる Oct. 26, 2001

16 キャリブレーション実験データ カリウムKからモリブデンKまでの様々な特性X線
キャリブレーション実験データ 放射性同位元素からの線スペクトルは、モノクロメータからの単色X線にくらべて有為に広がっている。 カリウムKからモリブデンKまでの様々な特性X線 Oct. 26, 2001

17 Astro-E2 XRSのサイエンス１ サテライト線の分解 イオン化過程 放射プラズマの密度 激変性のaccretion column
Astro-E2 XRSのサイエンス１ 激変性のaccretion column X線星の周辺 X線パルサー accretion disk coronae サテライト線の分解 イオン化過程 Collisional equilibrium or photo-ionization ? 放射プラズマの密度 Oct. 26, 2001

18 Astro-E2 XRSのサイエンス２ 輝線による運動学 ブラックホール質量の測定 ブラックホール候補のX線連星（たとえばCyg X-1）
Astro-E2 XRSのサイエンス２ 輝線による運動学 ブラックホール質量の測定 ブラックホール候補のX線連星（たとえばCyg X-1） 可視光で見える星のドップラー速度とX線星のドップラー速度が決まる 連星系の視線方向にたいする傾斜角に制限がつけば、X線星の質量が一意に決まる。 ブラックホール存在の最も確実な証拠に Oct. 26, 2001

19 Astro-E2 XRSのサイエンス３ 銀河団ガスの運動学 多くの銀河団高温ガスはrelaxしていない 温度の非一様性
Astro-E2 XRSのサイエンス３ 銀河団ガスの運動学 多くの銀河団高温ガスはrelaxしていない 温度の非一様性 非熱的な硬X線放射、 電波ハロー 高エネルギー粒子の加速 衝撃波 ガスのマクロな運動の直接測定 Coma Cluster by SAX Hard excess 8.2 keV Thermal Component Oct. 26, 2001

20 Astro-E2 XRSのサイエンス４ 星間物質のX線診断 X線星の吸収スペクトル 柱密度 化学状態 Interstellar EXAFS
Astro-E2 XRSのサイエンス４ 星間物質のX線診断 X線星の吸収スペクトル 柱密度 solarはgalactic か? 化学状態 Interstellar EXAFS Oct. 26, 2001

21 Astro-E2 XRSのサイエンス５ 超新星残骸 活動銀河核 ジェット …… Oct. 26, 2001

22 X線マイクロカロリメータを搭載する大型ミッション
X線マイクロカロリメータを搭載する大型ミッション 検討中の将来ミッション NeXT (日本) 2009 (?) Constellation-X (米) 2010 (?) XEUS (ESA-日) 2015(?) 1024画素、2-5eV分解能 Oct. 26, 2001

23 大型ミッションのサイエンス NeXT XEUS 加速 硬X線放射と 高温ガスの運動学 最初の銀河団 最初のブラックホール 撮像と分光
大型ミッションのサイエンス NeXT 加速 硬X線放射と 　高温ガスの運動学 撮像と分光 XEUS 最初の銀河団 最初のブラックホール XRSの視野 Oct. 26, 2001

24 XEUSの目指すサイエンス 低温 高温 z=10 z=5 z=0 (現在) 熱い宇宙の形成史 を、そのはじまりから明らかにする。 低温
XEUSの目指すサイエンス 熱い宇宙の形成史 を、そのはじまりから明らかにする。 銀河形成と最初のAGN＝最初のブラックホール (z > 5) バリオンの 再加熱 構造形成、 重元素合成 (z ~<5) 低温 高温 1 バリオンの歴史 低温 z=10 存在比 高温 z=5 今見えている部分 z=0 (現在) Oct. 26, 2001 z=3 z=0

25 XEUSの観測装置 編隊飛行 X線望遠鏡 シミュレーション XEUS vs XMM 検出器 有効面積 6m2/30m2 at 1 keV
XEUSの観測装置 X線望遠鏡 有効面積　6m2/30m2 at 1 keV 焦点距離　50m formation flightが必要 〜1mm3の相対位置精度 角分解能 < 5” (2”) 検出器 広視野撮像装置 視野　＞7.2 cm = 5’ 高分解能分光器 視野 >0.7 cm = 0.5’ FWHM < シミュレーション XEUS vs XMM 編隊飛行 Detection ~10-18 erg/sec/cm2 Spectroscopy ~10-17 erg/sec/cm2 Oct. 26, 2001

26 カロリメータによる 小型ミッション IMXS (Interstellar Medium X-ray Survey)
カロリメータによる 小型ミッション IMXS (Interstellar Medium X-ray Survey) Winsconcin, NASA/GSFC collimator +カロリメータ 〜1strad FOV DELUX (Diffuse Emission from Large-scale Universe) ISAS, TMU X線集光系 + カロリメータ 〜1deg2 FOV 空間的に広がった放射の分光観測 カロリメータの特徴、小型ミッション向き 斜入射X線望遠鏡 高感度= 狭い視野 XEUSのカロリメータの 視野=0.5分角 Oct. 26, 2001

27 Diffuse X線観測 Interstellar hot gas T〜106K
Diffuse X線観測 Interstellar hot gas T〜106K Interstellar hot gas T〜106K dooppler 効果によってGalactic wind を直接探す OVII,OVIIIのラインは1970年代の宇宙研のGSPCのロケット実験以来観測されていない。 ROSAT all sky survey Oct. 26, 2001

28 Diffuse X線観測2 Galactic Ridge X-ray Emissionの起源
Diffuse X線観測2 Galactic Ridge X-ray Emissionの起源 |l|<40, |b|<1に広がる放射 起源は不明 一見、高温プラズマからの放射 Point sourceの重ね合わせではない しかし、高温プラズマを銀河面に固定できない 鉄輝線のFWHM<10eVのスペクトロスコピー 鉄元素のイオン化プロセスの情報 鉄元素の運動　宇宙線加速との関係 Oct. 26, 2001

29 Diffuse X線観測3 系外Diffuse X-ray emission
Diffuse X線観測3 系外Diffuse X-ray emission 存在を示す観測的証拠 0.25keV bandのdiffuse emissionの近傍銀河NGC55の影 銀河間空間のWarm-hot matter（ T〜105 – 7K）？ Oct. 26, 2001

30 Warm-hot matter = missing Baryon？
Warm-hot matter = missing Baryon？ 構造形成にともなう再電離 銀河団のcollapse時のshock加熱、放射による加熱 宇宙の大構造に沿ってwarm-hot gasが分布し、これらはまだ観測にかかっていない。 Cen&Ostriker (1999), Dave et al. (2001) Oct. 26, 2001

31 Emission lineを探査する ＝3次元構造の解明
Emission lineを探査する ＝3次元構造の解明 Simulation z=0 106K=> OVII, OVIII galactic lineの1%から10% 必要な感度と分解能 galacticと区別するために10eVの分解能は必須 S/Nは、エネルギー分解能とSWで決まる。 SWはX線望遠鏡では全反射角と検出器の大きさでリミットされる z=0.1 X線反射望遠鏡では、XEUSでも困難 Oct. 26, 2001 SW (cm2 arcmin2)

32 Diffuse X線分光のための 新しい観測装置
Diffuse X線分光のための 新しい観測装置 広がった放射に対して高いエネルギー分解能（FWHM < 10eV) マイクロカロリメータ 検出器の面積はあまり大きくできない 視野の広いX線集光系 斜入射型X線望遠鏡では困難 例：予想される銀河間物質の空間構造の空間スケール　〜1度 半径1度程度の立体角からのX線光子をマイクロカロリメータ上に集める集光系を使ってスキャン観測する。 100cm2の有効面積があれば、100ksec以下で銀河成分の1%強度のredshiftしたOVIIを検出可能 Oct. 26, 2001

33 新しいX線集光系 ~0.1mm 要求性能 他の反射光学系は？ 有効面積〜100cm2
新しいX線集光系 要求性能 有効面積〜100cm2 1 度程度のcone内の方向から入射したX線を 1mm2程度の大きさのマイクロカロリメータに集光する 結像はしなくてよい ~0.1mm ポリ キャピラリー光学系 直径10mmのガラス管数1000個以上からなるキャピラリーを曲げながら1000本以上束ねる。 全反射条件を満たす方向から入射したX線を多数回全反射させ１点に導く。 軽量・小型の広視野集光系の可能性 有効面積100cm2は原理的／技術的に不可能ではない 他の反射光学系は？ キャピラリー Oct. 26, 2001

34 集光系の性能評価 試験device [ 幾何学的入射面積1cm2（有効面積0.3cm2）]の X線ビームラインによる評価実験により基本的な性能を確認 by 石田, 早川(都立大), 飯塚,見崎,柴田(宇宙研) X線集光像 直径1mm内に集光 像の位置と大きさはエネルギーと方向によらない 視野の大きさ 酸素の輝線に対して1平方度の 立体角が期待できる。 Oct. 26, 2001

35 衛星の基本概念 衛星全体 370 kg 480W 観測系 衛星共通系 200kg, 200W 170kg, 280W
衛星の基本概念 観測系 ポリキャピラリー 光学系 光学ベンチ X線マイクロカロリメータ(100mK) 非冷媒冷却系 電子回路部 170kg, 280W 衛星共通系 量産型共通衛星バス 擬似３軸制御 姿勢安定度〜0.3度 最大電力 500W 200kg, 200W 衛星全体 370 kg 480W Oct. 26, 2001

36 冷却系（Warm Launch方式） 400kgで実現するための鍵 アクティブクーラー 重量（検出器部を除く） 電力（２次側） 80kg
冷却系（Warm Launch方式） 400kgで実現するための鍵 アクティブクーラー 100K 1段式Stirling cycle 20K：2段式Stirling Cycle ASTRO-Fと同じ 1.8K：3He J-T cooler コンポーネント試作中（by 赤外グループ） 100mK：ADR コンポーネント試作中 重量（検出器部を除く） 80kg 電力（２次側） 200W Oct. 26, 2001

37 まとめ Astro-E2 XRS 大型X線望遠鏡計画 Diffuse X線分光＝小型衛星 2keV以上のエネルギーで最高のエネルギー分解能
まとめ Astro-E2 XRS 2keV以上のエネルギーで最高のエネルギー分解能 大型X線望遠鏡計画 1000画素の撮像とFWHM<5eVの分解能 高感度、視野の大きさは数分角以下に限定 Diffuse X線分光＝小型衛星 大型計画ではできない面白いサイエンス カロリメータとともに、適当な集光系の開発も必要 Oct. 26, 2001