高エネルギー天体物理学のための先進望遠鏡

高エネルギー天体物理学のための先進的望遠鏡（アテナ）^{[1] [2]は、}欧州宇宙機関（ESA）のコズミックビジョンプログラム^[3]内で、高温高エネルギー宇宙という科学的テーマに取り組むために選ばれたX線観測ミッションです。アテナは0.2～ 12keVのエネルギー範囲で運用され、現在運用中のX線天文衛星（チャンドラX線観測衛星やXMMニュートンなど）の分光機能と画像撮影機能を、複数のパラメータ空間で同時に少なくとも1桁上回ります。

このミッションの主な目的は、高温ガスの構造をマッピングし、その物理的特性を決定し、超大質量ブラックホールを探索することです。

このミッションのルーツは、2000年代初頭の2つのコンセプト、 ESAのXEUSとNASAのコンステレーションX天文台（Con-X）にあります。2008年頃、これら2つの提案は、NASA、ESA、JAXAの共同国際X線天文台（IXO）提案に統合されました。2011年にIXOは撤回され、その後ESAはコスト削減された修正を進めることを決定し、それがATHENAとして知られるようになりました。^[4] Athenaは2014年に2番目の（L2）LクラスCosmic Visionミッションに選ばれ、^[5]熱くエネルギーに満ちた宇宙の科学テーマに取り組んでいます。

アテナ計画に対する科学的助言は、コミュニティの専門科学者で構成されるアテナ科学研究チーム（ASST）によって提供される。ASSTは2014年7月16日にESAによって任命された。ESAの研究科学者と研究マネージャーはそれぞれマッテオ・グアイナッツィ博士とマーク・エア博士である。アテナは2019年11月12日のミッション策定レビューでフェーズAを無事に完了した。次の重要なマイルストーンは、2023年に予定されているESAの科学プログラム委員会（SPC）によるミッション採択であり^{[更新が必要]}、2035年の打ち上げにつながる。^[1]

2023年にミッションはニューアテナとして再計画され、打ち上げ日は2037年に変更された。^[6]

2035年にアリアン64 ロケットがアテナを_太陽地球系のL2点を回る大振幅ハロー軌道に打ち上げる。^{[7] [1]} L2周回軌道が選ばれたのは_、安定した熱環境、良好な空の視程、高い観測効率、安定した粒子背景のためである。 アテナは、年間最大300の天体の位置を事前に計画されたスケジュールに従って観測する。特別なターゲット・オブ・オポチュニティ・モードにより、空でランダムに発生するイベントの50%に対して4時間以内に再ポイント操作が可能となる。

アテナX線観測所は、焦点距離12mの単一のX線望遠鏡^{[8] [9]}で構成され、有効面積は約1.4m2 ^（ 1keV時）、軸上での空間分解能は5秒角で、軸外で30分角では10秒角未満に低下します。ミラーはESAのシリコン細孔光学（SPO）技術に基づいています。^{[10] [11]} SPOは、優れた角度分解能を提供しながら、収集面積と質量の比が優れています。また、前例のない望遠鏡収集面積を達成するために必要な、高い技術準備レベルと大量生産に非常に適したモジュール設計の恩恵を受けています。可動ミラーアセンブリは、いつでもアテナの2つの機器（WFIとX-IFU、以下を参照） のいずれかにX線を焦点を合わせることができます。

WFI と X-IFU は、それぞれ 2018 年 10 月 31 日と 2019 年 4 月 11 日に予備要件レビューに合格しました。

広視野イメージャー（WFI）^{[12] [13] [14]は、}マックスプランク協会の半導体研究所で開発された独自のシリコンDEPFET技術^{[ permanent dead link ‍ ]}に基づく、広い視野のスペクトルイメージングカメラです。DEPFETは、優れたエネルギー分解能（7keVで<170eV）、低ノイズ、高速読み出し、高時間分解能、良好な放射線耐性を提供します。この装置は、40フィート×40フィートの瞬間的な空域にわたる広い視野の観測に最適化された大型検出器アレイと、X線空の最も明るい点源を高スループットかつ低パイルアップで観測するように調整された別の高速検出器を組み合わせています。これらの機能は、アテナ望遠鏡のこれまでにない有効面積と広い視野と相まって、X線イメージング分光法に画期的な機能を提供します。

WFIは、ESA加盟国で構成される国際コンソーシアムによって開発されています。マックス・プランク地球外物理学研究所（DEU）が主導し、ドイツ（ECAP、IAAテュービンゲン）、オーストリア（ウィーン大学）、デンマーク（DTU）、フランス（CEAサクレー、ストラスブール）、イタリア（INAF、ボローニャ、パレルモ）、ポーランド（SRC PAS、NCAC PAS）、英国（レスター大学、オープン大学）、米国（ペンシルベニア州立大学（Penn State）、SLAC、マサチューセッツ工科大学（MIT）、SAO）、スイス（ジュネーブ大学）、ポルトガル（IA）、ギリシャ（アテネ天文台、クレタ大学）がパートナーとなっています。主任研究者は、MPEの高エネルギーグループディレクター、キルパル・ナンドラ教授です。

X線積分場ユニット^{[15] [16] [17]は、}アテナX-IFUの極低温X線分光計であり、5分角（等価直径）の六角視野にわたって2.5eVから7keVまでのスペクトル分解能要件を備えた空間分解X線分光法を提供します。X-IFUの主検出器は、必要な阻止能を提供するためにAuとBiでできた吸収体に結合されたモリブデン金遷移エッジセンサーの大型アレイで構成されています。ピクセルサイズは天空上で5秒角よりわずかに小さい値に相当し、X線光学系の角度分解能と一致します。X-IFUに関連するアテナの科学目標の大部分は、微弱な拡張ソース（例えば、銀河団内の高温ガスの全体の動きや乱流、またはその化学組成の測定）の観測に依存しており、機器バックグラウンドを可能な限り低く抑えています。これは、主焦点面アレイの下に 2 つ目の極低温検出器を追加することで実現します。このようにして、両方の検出器で同時にエネルギーを検出するという時間的な一致を利用して、粒子などの非 X 線イベントを拒否できます。焦点面アレイ、センサー、およびコールド フロント エンド エレクトロニクスは、一連の機械式クーラーで組み立てられた多段極低温チェーンによって 100 mK 未満の安定した温度に冷却されます。このチェーンは、3He吸着クーラーと断熱消磁冷凍機を組み合わせたサブケルビン クーラーを事前に冷却し、インターフェイス温度を 15 K、4 K、2 K、300 mK にします。変調された X 線源からの各観測とともに較正データを取得し、目標のスペクトル分解能に到達するために必要なエネルギー較正を可能にします。すべてのピクセルが高解像度の X 線スペクトルを提供する積分フィールド ユニットですが、Athenaミラーの焦点外し機能により、焦点ビームを数百のセンサーに分散させることができます。 X-IFU は、このようにして非常に明るい X 線源を観測することができます。観測は、名目上の解像度で行われる (例えば、宇宙の網目を通して輝く背景源として明るいガンマ線バーストの残光を使用して、高温銀河系媒体に存在すると考えられる重粒子を検出する) か、または 3～10 eV のスペクトル解像度で行われる (例えば、スペクトル特性が最も強いエネルギー (5 keV 以上) で明るいX 線連星のスピンを測定し、風と流出の特性を調べる) かのいずれかです。

2018年12月、X-IFUコンソーシアムがESAによりアテナへの機器調達の責任者として正式に承認された時点で、X-IFUコンソーシアムには11の欧州諸国（ベルギー、チェコ共和国、フィンランド、フランス、ドイツ、アイルランド、イタリア、オランダ、ポーランド、スペイン、スイス）と日本、米国が参加しています。X-IFUコンソーシアムには50を超える研究機関が参加しています。X-IFUの主任研究員は、トゥールーズの天体物理学および惑星学研究所（IRAP -OMP、CNRS UT3-Paul Sabatier/ CNES、フランス）の研究ディレクターであるDidier Barret博士です。Jan-Willem den Herder博士（SRON、オランダ）とLuigi Piro博士（INAF -IAPS、イタリア）は、X-IFUの共同主任研究員です。CNES はプロジェクトを管理し、X-IFU コンソーシアムを代表して ESA への機器の配送を担当します。

「熱くエネルギーに満ちた宇宙」という科学テーマ^{[18] は、}天体物理学における 2 つの基本的な疑問を中心に展開しています。通常の物質はどのようにして今日見られるような大規模構造を形成するのでしょうか。そして、ブラックホールはどのようにして成長し、宇宙を形成するのでしょうか。どちらの疑問も、高感度の X 線宇宙望遠鏡を使用することでのみ答えることができます。その科学的パフォーマンスの組み合わせは、有効面積、弱線感度、調査速度など、いくつかのパラメータ空間において、既存または計画中の X 線ミッションを 1 桁以上上回っています。アテナは、さまざまな天体に対して非常に高感度の測定を実行します。この計画では、銀河団内の銀河間空間に浸透する高温プラズマの化学的進化を調査し、高温銀河間物質の捉えどころのない観測的特徴を探索し、降着ブラックホールから放出される強力な流出をその質量スペクトル全体にわたって調査し、そのホスト銀河への影響を研究し、降着ブラックホールと銀河の同時宇宙進化を理解する鍵となる比較的まれな活動銀河核（AGN）の集団の大規模なサンプルを特定します  。その中には、非常に隠され、高赤方偏移（z≥6）のAGNが含まれます。さらに、アテナは天文学コミュニティ全体に開かれたX線観測所となり、現代天体物理学のほぼすべての分野で幅広い発見をもたらす準備が整っており、まだ知られていない予期しない現象の大きな発見の可能性を秘めています。これは、2030 年代に運用開始予定の大規模観測施設群 ( SKA、ELT、ALMA、LISAなどを含む) に対する X 線の貢献を表しています。

アテナ科学研究チーム（ASST）は、ESAから割り当てられたタスクの遂行、特に「広範な科学コミュニティの利益の中心」としてのASSTの役割を果たすために、アテナコミュニティオフィス（ACO）[19]を設立しました。現在^、このコミュニティは世界中に広がる800人以上のメンバーで構成されています。

ACO は、アテナの活動と科学コミュニティ全体との間の科学的交流を促進し、アテナの科学目標を一般大衆に広めるための中核となることを目的としています。ACO の主な任務は、次の 3 つのカテゴリに分けられます。

• 組織的側面とコミュニティの取り組みの最適化により、ASST をさまざまな側面から支援します。たとえば 、会議やワークショップを通じて研究界におけるAthena の科学能力の促進を支援したり、2030 年代初頭にAthenaと他の観測施設との科学的相乗効果を特定するホワイト ペーパーを含む ASST 文書の作成をサポートしたりします。
• ニュースレター、短いニュース、Athena Web ポータルおよびソーシャル チャネルでの毎週のニュースを定期的に公開して、Athenaコミュニティにプロジェクトの状況を知らせてください。
• 特に興味深いのは、コミュニケーションとアウトリーチ活動の開発です。Athena ナゲットは、Wayback Machineで 2018 年 9 月 9 日にアーカイブされています。

ACO は、Instituto de Física de Cantabria (CSIC-UC) によって主導されています。さらに ACO に貢献しているのは、ジュネーブ大学、マックス プランク地球外物理学研究所(MPE)、および天体物理学および惑星科学研究所(IRAP) です。

• スペクトルRG
• 提案された宇宙観測所のリスト
• リンクスX線観測所、より高い角度分解能、感度、分光能力を備えた宇宙望遠鏡の提案
• XRISM 、アテナの先導ミッション

• アテナX線観測所: コミュニティサポートポータル
• ESA Cosmic Vision ウェブサイトの Athena
• YouTube の Athena ミッション提案ビデオ
• Athena 広視野イメージャーのウェブサイト
• アテナX線積分フィールドユニットのウェブサイト
• X-IFU、熱くエネルギッシュな宇宙の秘密をYouTubeで公開
• シリコン細孔光学ミラービデオ
• シリコン細孔光学ミラーアニメーション