X線偏光観測専用衛星GEMS
理化学研究所 玉川 徹
理研
早藤麻美、岩橋孝典、
阿佐美ふみ、牧島一夫
NASA/GSFC
Jean Swank (PI)
Keith Jahoda
ほか、GEMS collaboration
GEMS project の背景
X線に内在する4つの特性
Space (画像)
Time (光度曲線)
Energy
偏光
?
X線最後の
フロンティア
X線偏光観測の歴史
1.
2.
3.
4.
本格的な
Sounding Rocket (Norvick+1972) Bragg
Crab
OSO-8 (Weisskopf +1976, 78) Bragg
X線偏光
Nebura
PHENEX(気球, Gunji+2007) Compton
P~20%
観測の幕開け
INTEGRAL(Dean+2008) Compton
OSO-8
脱Crab!
PHENEX
INTEGRAL
GEMS
X線偏光観測で見えるもの
1. 撮像されるよりもはるかに小さな構造を探る
 X線は中性子星のどこから放射されているのか?
 ブラックホールはどのような降着円盤を持つのか?
2. 光子の放出、輸送プロセスを探る
超新星残骸のシェルからのシンクロトロン放射は強く偏光
強い磁場が存在すると、真空があたかも偏光板のように働く
ブラックホールの近傍の強重力場、スピンでX線は曲げられる
GEMS衛星デザイン
4.5 m





7.0 m
ミラー3台+偏光計 3台
光軸周りに0.1 rpmで回転
Pegasus XL(575 km, 軌道傾斜角28.5°)
9ヶ月で35ターゲット (100k~1Ms exposure)
2年間の運用 (15か月のGO)
2007年12月
NASA SMEXプログラム提案
2008年5月末
Phase-A 採択 (6/35課題)
2009年6月
Phase-B採択(2課題)
2014年打ち上げ
X-ray Polarimeter Instrument (XPI)
GEM-TPC
X線
光軸
(Black+2007)
APV25
E

光軸
光電子の飛跡
d
 cos 2
d
Gas Electron Multiplier (GEM)
ピッチ 140um
穴径 70um
理研で開発
(Tamagawa+2006, 2009)
封入ガス
Pure DME
190 Torr
検出効率
[email protected]
光電子飛跡
2mm @6keV
衛星に搭載される
初めてのGEM &TPC
光電子飛跡の再構成
2.7 keV
L=600um
μ=32%
4.5 keV
実測データ
L=1.5mm
μ=45%
X線偏光計の感度
偏光検出感度
MDP 
観測予想
4.29 r  b
m  r T
GEMSの場合
フォトンリミット
mirror
system
有効面積
[email protected]
[email protected]
moduration m
MDP 1% 100 ks で 28 mCrab
1 Ms で 2.8 mCrab
OSO-8の100倍以上の感度
Targets with known fluxes and
polarization estimates
Black holes
Neutron stars
Supernova remnants
まとめ
GEMS -- 世界初のX線偏光観測衛星
2014年打ち上げ(ASTRO-Hとのシナジー)
世界初の光電効果を利用した偏光計
GEM+TPCで感度を向上
1%の偏光検出能力(1Ms, 2.8mCrab)
予備スライド(A)
Collaboration
 PI & Deputy PI:
 Jean Swank & Keith Jahoda (GSFC)
 Detector Team




K. Black, P. Deines-Jones, J.Hill (GSFC)
P. Kaaret (Univ. Iowa)
T. Tamagawa (RIKEN)
J. Martoff (Temple Univ.)
 Mirror Team
 P. Serlemitsos, T. Okajima, Y. Soong, R. Petre
 Science Team
GSFC (T. Kallman, T. Strohmayer, A. Harding, C. Markwardt, L. Angelini, R. Sambruna)
Johns Hopkins (J. Krolik, J. Schnittman), MIT (H. Marshall), Rice (M. Baring)
NCSU (S. Reynolds), Ames (J. Scargle, J. Dotson, R. Morris), Cornell (D. Lai)
Washington U. (H. Krawczynski), Oulu (J. Poutanen)
Readout ASIC
APV25
• Developed for the CMS
experiment at CERN
(Raymond+2000).
• 40 MHz sampling
• Stores 30 samples/ch
• 128 ch / chip
• 2 mW/ch
• 1GEM を256chで読み出す
• トリガはGEM信号から作る
Readout Strip Substrate
Strip substrate
121 um
 121mm ピッチのストリップ
 LCP 基板上に作製
GEMの穴とストリップを
アラインする
Bragg Reflection Polarimeter (BRP)
 Student Experiment
leaded by Univ. of Iowa
 Bragg Reflector + Prop. Counter
 Sensitive around 0.5 keV
DMEの特性
DME 180 Torr (現在は190Torr)
X線阻止能力
電子の停止距離
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X線偏光観測専用衛星GEMS