THESEUS (Transient High Energy Sky and Early Universe Surveyor) è un concetto di missione inizialmente proposto in risposta al bando M5 ESA per una missione di classe media, e successivamente nel bando M7 2018, nell’ambito del programma Cosmic Vision, e selezionato nel dicembre 2023 insieme ad altri due progetti di missioni per una fase triennale di approfondimento (“Fase A”). La selezione finale (“adoption”) della missione avverrà a giugno 2028, con lancio previsto per il 2037.
La missione è disegnata per estendere lo spazio delle scoperte sui fenomeni transienti di alta energia lungo tutta la storia dell’Universo. Gli obiettivi scientifici primari rispondono al tema del programma ESA Cosmic Vision: “Come si è originato l’universo e di cosa è fatto?“, impattando anche sui temi de “L’universo nelle onde gravitazionali” e “L’universo caldo ed energetico”.
In questo contesto, gli obiettivi scientifici principali della missione sono:
- Esplorare l’universo primordiale (alba cosmica ed era della reionizzazione), svolgendo un censimento completo della popolazione di Gamma-Ray Burst (GRB) nel primo miliardo di anni di vita dell’universo; studiando la formazione stellare globale fino ad un redshift di z ~ 10 e oltre; rivelando e studiando le stelle primordiali di Popolazione III; investigando l’epoca della reionizzazione, il mezzo interstellare e intergalattico fino a z ~ 8 – 10, e le proprietà delle galassie primordiali in questa epoca.
- Effettuare un monitoraggio profondo e completo dei transienti nei raggi X cosmici, per identificare e localizzare le controparti elettromagnetiche delle onde gravitazionali e dei neutrini, che potrebbero essere rivelati di routine negli anni ’30 con le prossime generazioni dei rivelatori di onde gravitazionali a terra, come Einstein Telescope (EU) o Cosmic Explorer (USA), o nello spazio, come LISA, e la nuova generazione di telescopi di neutrini, come IceCube-gen2 e Km3NET; fornire trigger accurati in tempo reale (~1′ in pochi secondi; ~1” in pochi minuti) per la localizzazione di GRB ed altri transienti di alta energia per il follow-up con la prossima generazione di telescopi ottici-infrarossi (E-ELT, JWST), radio (SKA), X (NewATHENA), TeV (CTA); permettere un passo avanti fondamentale nella comprensione della fisica di diverse classi di transienti galattici ed extragalattici, come i tidal disruption events (TDE), le magnetar/SGR, gli shock da SN, i Soft X-ray Transients (SFXTs), le esplosioni termonucleari dalle stelle di neutroni in accrescimento, le novae, i flare stellari, gli AGN e i blazar; fornire diagnostiche fondamentali nella fisica dei progenitori dei GRB e la loro connessione con supernovae peculiari, e fondamentalmente accrescere il campione statistico dei GRB sub-energetici e dei X-Ray Flash.
- Effettuare scoperte inaspettate di fenomeni nuovi, andando a colmare una lacuna attualmente presente nello spazio delle scoperte di nuove classi di transienti di alta energia.
Questi obiettivi molto ambiziosi verranno realizzati grazie ad un payload unico, che fornisce una combinazione senza precedenti di
- monitoraggio a grande campo e profondità in una larga banda energetica (0.3 keV – 20 MeV)
- capacità di generare immagini nella banda dei raggi X soffici con un elevato grasp ed elevata risoluzione angolare
- capacità di osservare nel vicino infrarosso per un’identificazione immediata dei transienti e determinarne il redshift.
La strumentazione di bordo di THESEUS include:
- Soft X-ray Imager (SXI, 0.3 – 5 keV): una coppia di telescopi X di tipo lobster-eye, con un campo di vista (FOV) totale di circa ~0.5 sr e una accuratezza di localizzazione delle sorgenti di < 1’–2′.
- InfraRed Telescope (IRT, 0.7 – 1.8 μm): un telescopio infrarosso della classe dei 0.7m con un campo di vista di 15′ x 15′, per una risposta veloce con capacità sia di immagine che spettroscopiche.
- X-Gamma rays Imaging Spectrometer (XGIS, 2 keV – 20 MeV): una coppia di unità a maschera codificata, che usano rivelatori X e gamma monolitici, basati su barre di cristallo scintillatore accoppiato a fotorivelatori al silicio. Il campo di vista è di circa 2 sr con un’accuratezza nella localizzazione delle sorgenti di ~10′ nella banda 2–150 keV, come anche un FOV >4 sr ad energie >150 keV.
Il profilo della missione include anche: un sistema di processamento a bordo dei dati (DHU) capace di rivelare, identificare e localizzare candidati transienti nel campo di vista di SXI e XGIS; la capacità di trasmettere velocemente (entro qualche secondo al massimo) a terra il tempo d’arrivo e la posizione dei GRB (e di altri transienti di interesse); una velocità di riorientamento del satellite di almeno 6°/minuto. La configurazione prevista di lanciatore e orbita è con il Vega-C in un’orbita terrestre bassa e a bassa inclinazione (LEO, ~600 km, <5°), che ha il vantaggio di fornire un rumore di fondo basso e stabile per gli strumenti sensibili alle alte energie, permettendo anche di sfruttare il campo magnetico terrestre per facilitare il riorentamento del satellite, e facilitando la trasmissione veloce delle informazioni a terra.
INAF/OAS Bologna è fortemente coinvolta in questa missione, con i seguenti ruoli chiave:
- Gestione generale della missione (lead proposer/lead scientist L. Amati)
- Responsabilità del coordinamento del contributo italiano (L. Amati)
- PI-ship di XGIS e gestione di sistema (L. Amati, C. Labanti)
- Responsabilità di TBU (E. Virgilli).
Per informazioni: L. Amati, E. Virgilli, C. Labanti, R. Campana.