Гомер Л. Додж, Физико-астрономический факультет, Университет Оклахомы, Норман, Оклахома, США и другие соавторы
Смерть массивных звезд, проявляющаяся как гамма-всплески и сверхновые коллапса ядра, критически влияет на формирование и развитие Вселенной. Несмотря на их фундаментальное значение, наше понимание этих загадочных объектов строго ограничено.
Введение
Смерть массивных звезд - фундаментальный процесс формирования вселенной. Первые массивные звезды считаются значительным вкладом в реионизацию и рассеяние первых металлов. Эти первые звезды также образуют семена для формирования сверхмассивных черных дыр. Последующие поколения продолжают производство и распространение тяжелых элементов, которые формируют планеты, солнечные системы, будущие поколения звезд и галактик. Они образуют нейтронные звезды и черные дыры во Вселенной, определяя характеристики и скорости образования рентгеновских двойных, рентгеновских вспышек, килоновых лучей и источников гравитационных волн. Несмотря на их важность, природа первых звезд, их вклад в реионизацию и то, как массивные звезды заканчивают свою жизнь, не совсем понятны. Чтобы заглянуть в будущее, чтобы лучше понять эти загадочные объекты, мы провели концептуальное исследование Астрофизической переходной обсерватории (ATO), которая с готовностью решит эти проблемы.
ATO выполняет это, комбинируя рентгеновский телескоп с очень широким полем зрения (WFXT) для запуска и наблюдения рентгеновских лучей; телескоп ближнего инфракрасного диапазона (NIRT; 0,7–2,0 мкм) для визуализации и спектроскопии (R ~ 16 и 1000); многомодовый ультрафиолетовый прибор (MUVI; 115–350 нм) для визуализации и спектроскопии (R ~ 3000); с быстро разворачивающимся космическим кораблем. WFXT используется для локализации гамма-всплесков (GRBs), событий скачка удара (SBO) от сверхновых коллапсов ядра (CCSNe) и других рентгеновских переходных процессов. Когда WFXT обнаруживает новую цель, космический корабль поворачивается на 180 ° вокруг вектора, направленного против солнца. NIRT и MUVI FOV сосредоточены на цели, поворачивая WFXT FOV от солнца. Данные одновременно собираются в режиме визуализации и грубого разрешения для NIRT и в режиме визуализации для MUVI. Бортовое программное обеспечение NIRT определяет целевое красное смещение и вставляет спектрограф низкого разрешения, если он имеет высокое значение z . При низком z MUVI центрирует УФ-спектрограф в месте, определенном по изображению MUVI (см. Раздел «Концепция операций»). Во всех случаях все три режима длин волн продолжают наблюдать, обеспечивая изучение широкого спектра переходных объектов во вселенной.
В разделе «Научные цели и задачи» мы описываем научные цели и задачи миссии ATO. В разделе «Реализация науки» мы выделяем необходимые инструменты и космические аппараты, необходимые для достижения научных целей. Мы также обсуждаем симуляцию миссии, выполняемую для определения успеха миссии. В разделе Уровень готовности технологии мы даем оценку уровня технической готовности концепции.
Научные цели и задачи
Массивные звезды заканчивают свою жизнь как GRBs и CCSNe. Из-за своей чрезвычайной яркости GRB являются отличными датчиками для характеристики массивных звезд с наибольшим красным смещением и окружающей среды, в которой они находятся. Точно так же захват SBO CCSNe является мощным инструментом для ограничения плохо изученного механизма взрыва этих массивных звезд, который напрямую влияет на наше понимание массивных звездных предшественников и их химического состава в течение космического времени.
цели
Есть две основные научные цели, которые определяют потребность в АТО. Первый - охарактеризовать массивные звезды с наибольшим красным смещением и их окружение; второе - ограничить плохо изученный механизм взрыва массивных звезд.
Характер массивных звезд с самым высоким красным смещением и их окружение
Приблизительно через один миллиард лет после Большого взрыва Вселенная завершила свой последний крупномасштабный фазовый переход до сегодняшнего дня. Свет, излучаемый ранними гравитационно-связанными структурами, ионизировал газы между галактиками, позволяя ультрафиолетовым (УФ) фотонам свободно распространяться на расстояния, сравнимые с масштабом космического горизонта, и впервые завершив реионизацию космоса. Хотя считается, что массивные звезды вносят значительный вклад в реионизацию наше понимание их ограничено. Некоторые ключевые вопросы о массивных звездах включают в себя: в какой среде они находятся и как среда изменяется в зависимости от красного смещения, как они умирают, когда и как меняется режим формирования звезды от нулевой металличности звезд Pop III - до звезд, в которых доминируют Pop II, и какова начальная функция массы для ранних звезд Pop III и Pop II. К сожалению, наблюдения отдельных предварительно взорванных массивных звезд с высоким z недоступны для космического телескопа Джеймса Вебба. Их взрывы в виде гамма-всплесков могут быть лучшим, если не единственным способом изучения этих отдаленных объектов . Обнаружение значительного количества гамма-всплесков при самых высоких красных смещениях с помощью ATO позволит провести широкий спектр исследований Космического Рассвета с существующими обсерваториями и запланированными объектами, например, Космическим телескопом Джеймса Вебба, Большой миллиметровый / субмиллиметровый массив Atacama и широкоугольный инфракрасный обзорный телескоп.