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

K.Mitsuda@ISAS 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

K.Mitsuda@ISAS Astro-E2 observatory • High throughput wide-band (0.4-700 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

K.Mitsuda@ISAS 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 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：10-700keV • 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：0.5-10keV エネルギー分解能(FWHM)：120 eV @ 6keV

K.Mitsuda@ISAS 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 eV @6keV • 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 （???)

K.Mitsuda@ISAS 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 Chandra XMM 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 Astro-E2

K.Mitsuda@ISAS 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

K.Mitsuda@ISAS XRS 宇宙研、都立大、理研、NASA/GSFC, ウイスコンシン大

K.Mitsuda@ISAS XRS Calorimeter Array • 2x16 bilinear array

K.Mitsuda@ISAS 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

K.Mitsuda@ISAS 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

K.Mitsuda@ISAS XRS Cryogenic systemNe 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

K.Mitsuda@ISAS 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

K.Mitsuda@ISAS 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

K.Mitsuda@ISAS 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。

K.Mitsuda@ISAS 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

K.Mitsuda@ISAS 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

K.Mitsuda@ISAS 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

K.Mitsuda@ISAS 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

K.Mitsuda@ISAS Astro-E2 XRSのサイエンス５ • 超新星残骸 • 活動銀河核 • ジェット • ……

K.Mitsuda@ISAS 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

K.Mitsuda@ISAS XRSの視野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

K.Mitsuda@ISAS 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 0 z=0 (現在) z=3 z=0

K.Mitsuda@ISAS 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 < 2eV@1keV XEUSの観測装置シミュレーション XEUS vs XMM 編隊飛行 Detection ~10-18 erg/sec/cm2 Spectroscopy ~10-17 erg/sec/cm2

K.Mitsuda@ISAS 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

K.Mitsuda@ISAS 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

K.Mitsuda@ISAS Diffuse X線観測2Galactic 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

K.Mitsuda@ISAS 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）？

K.Mitsuda@ISAS 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)

K.Mitsuda@ISAS 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 SW (cm2 arcmin2)

K.Mitsuda@ISAS 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

K.Mitsuda@ISAS 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？新しいX線集光系 ~0.1mm キャピラリー

K.Mitsuda@ISAS 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) • 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。 • 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

K.Mitsuda@ISAS 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 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 衛星の基本概念 • 衛星全体 • 370 kg • 480W

K.Mitsuda@ISAS 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

K.Mitsuda@ISAS 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

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