X線集光系 - X-ray Astronomy Group at ISAS
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Transcript X線集光系 - X-ray Astronomy Group at ISAS
K.Mitsuda@ISAS
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
宇宙研 満田
2001年9月26日
名古屋大学集中講議
Oct. 26, 2001
K.Mitsuda@ISAS
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Astro-E2 observatory
– High throughput wide-band (0.4-700 keV) spectroscopy
– High resolution (DE=10eV) spectroscopy
XRT-I + XIS
XRT-S + XRS
HXD
Energy range
0.4-12 keV
0.5-12 keV
10 - 700 keV
Effective area
1300 cm2
190 cm2
Focal length
4.7 m
4.5 m
HPD of PSF
1.5'
1.5'
120 eV@6keV
12 eV
19'x19'
1.9'x4.2'
1.1"x1.1"
0.94'x0.24'
1024 x 1024
2 x 16
8ms-8sec
~5 sec
Energy resolution
Field of view
Pixel size
Number of pixels
Time resolution
230@20keV
330@100 keV
3keV@10keV ~9%@662 keV
0.56x0.56゜
＠<100keV
4.6 x 4.6゜
＠>200keV
15.3 - 61 sec
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
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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
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Astro-EのX線検出器
XRS（X線マイクロカロリ
メータ）
–
エネルギー範囲：0.5-
–
エネルギー分解能
(FWHM)： 12eV
12keV
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
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HXD
(Si PIN + BGO/GSOシンチレー
タ)
エネルギー範囲： 10700keV
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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 （???)
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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
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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
Chandra
マイクロカロリメータ
Astro-E2
XMM
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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
X-ray Photon
Thermometer
X-ray Absorter
Heat Capacitance, C
Thermal Conductance, G
Heat Sink, T S
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XRS
宇宙研、都立大、理研、NASA/GSFC, ウイスコンシン大
コマンド
コマンド
X線
TCI
テレメトリー
IGBOX-SA/IG-PS
FW
FDE
Valve Status
バルブ制御
ゲートバルブ
Valves (GV,V6,
V9,V11,V12)
遮光フィルター
FEA
16x2ch
16x2ch
ADR
温度計
ネオンタンク
XRS-DE
CAP-A/B
ヘリウムタンク
CTS
CDP-A/B
XRS-PSU
IVCS
テレメ コマンド
トリー
MVCS
デュワー
制御／応答
X線信号
電源供給
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ACHE
CDE
OVCS
Main Shell
スターリングクーラー
衛星データ
処理装置
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XRS Calorimeter Array
Thermister
Thermal sink
Thermal link (G, w,t~20m)
TOP VIEW
0.34mm
1.24mm
X-ray beam block
SIDE VIEW
VB
• 2x16 bilinear array
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X-ray absorber (HgTe, t=9m)
JFET
(~120K)
TS=60mK
ADR
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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
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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
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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
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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
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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
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Filter Wheel
X-ray counting rateを下げ
る
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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
Counts/bin
Mn K
Monochromatic 6.391keV
Mn K
100
10
5.8
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6.0
6.2
Energy (keV)
6.4
6.6
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Astro-E2 XRSのサイエンス１
激変性のaccretion column
サテライト線の分解 X線星の周辺
X線パルサー
イオン化過程
accretion disk coronae
Collisional equilibrium or photo-ionization ?
放射プラズマの密度
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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
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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
8.2 keV
Thermal
Component
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Hard excess
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Astro-E2 XRSのサイエンス４
• 星間物質のX線診断
Single atom
Column
density
X線星の吸収スペクトル
– 柱密度
• solarはgalactic か?
– 化学状態
– Interstellar EXAFS
Gas/Vapor
O
543.1* ± 0.2
Mg
1311.2 ± 0.3
Al
1567.0 ± 0.8
Si
1846.0 ±
S
2477.0 ±
Ca
4042.8 ± 2.0
Fe-L1 857.0 ± 2.0
Fe-K 7124.0 ± 1.0
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EXAFS
Solid
Physical/Chemical shift
Solid
1303.0
1558.2
1839.0
2476.0
4038.5
848.5
7111.4
± 0.1
± 0.5
± 2.0
± 2.0
± 0.4
± 2.0
± 0.2
Oxide
532.0 ± 0.4
1305.0 ± 0.4
846.1 ± 0.4
7113.0 ± 0.9
*experimental value for O 2, calculated value for O is 545.37
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Astro-E2 XRSのサイエンス５
•
•
•
•
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超新星残骸
活動銀河核
ジェット
……
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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
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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
•
•
XEUS
–
–
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撮像と分光
最初の銀河団
最初のブラックホール
XRSの視野
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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
1
再加熱
バリオンの歴史
構造形成、
重元素合成
(z ~<5)
低温
高温
z=10
存
在
比
z=5
今見えている部分
0
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z=3
z=0
z=0 (現在)
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XEUSの観測装置
•
• X線望遠鏡
– 有効面積
– 焦点距離
6m2/30m2 at 1 keV
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
シミュレーション XEUS vs XMM
編隊飛行
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Detection ~10-18 erg/sec/cm2
Spectroscopy ~10-17 erg/sec/cm2
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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
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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
2
D
2
S 2 A 2 A c
d f
d
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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
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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
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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）？
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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)
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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%
z=0.1
• 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Sで決まる。
SNratio
St
1 DE / EW
– S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
2
D
2
2
S A 2 A c
d f
d
X線反射望遠鏡では、XEUSでも困難
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S (cm2 arcmin2)
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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
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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
•
ポリ キャピラリー光学系
– 直径10m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？
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キャピラリー
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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
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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。
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衛星の基本概念
観測系
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
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
衛星全体
370 kg
480W
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170kg, 280W
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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
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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