1210243-王子祺-宇宙线实验期末作业-SWIFT实验

SWIFT实验（伽马暴空间探测器）1210243王子祺伯苓班1、实验目的（Motivation）伽马射线暴发（Gamma-rayburst：GRBs）是除宇宙大爆炸外能量最高的宇宙射线暴发。平均下来大约每天在我们的宇宙中都会发生一次伽玛暴（我们能探测的）——这种短暂但极其强烈一闪而过的伽马射线事件。他们会从天空的各个方向出现，持续长度也从几百秒到几百万秒不等。迄今为止还尚未有一种靠谱的理论能将这种宇宙现象完美解释。我们不知道这些信号来自哪里，是来自于大质量星球被黑洞吞噬（或其本身变为黑洞）？或是来自中子双星的周期运动？亦或是源自某些未知的宇宙现象（比如玄乎其神的夸克星与类星体）？并且这些高能伽马射线又会进一步引起那些宇宙学现象？图1-恒星演化模式图（在坍缩为黑洞时会发出强烈的γ暴）解决这一系列的追问迫使我们不得不对宇宙中的GRBs进行精确地测量。在1996年NASA曾发射过BeppoSAX卫星用来进行γ暴的探测，1997年二月BeppoSAX首次观察到了γ暴并用它所携带的X射线探测器很迅速的测定了其来源方向。而现在Swift将成为定量的给出这些问题以答案的更加强有力的工具。我们将利用它解决伽玛暴之谜（起源之谜）~Swift的三个组成部分（下文介绍）可以将对伽玛暴的测定提升到从未有过速度与精度。在最初的几秒即可发现并定位伽玛暴的来源，并将地址传输给地面基站。让全世界所有的地面和空间探测器都有机会观察伽玛暴的余晖（GRB’sAfterglow）。在几种对γ暴起源的假设模型中，γ射线瞬间暴发后应衰退为由喷射物和星际气体碰撞产生波长更长的射线。通常将这种现象称为余晖（Afterglow），在γ暴的研究中有很重要的地位。对余晖的测量可以帮助我们了解γ暴与星际物质的相互作用和其起源。早期（该系列实验前）对γ暴观测的不成功源于不能在暴发后短时间内测定γ暴的来源，导致地面和空间探测器都不能记录到完整的余晖信号。而Swift由非常敏感的探测器组建，能快速响应并探测γ暴的来源，并进一步精确测定其余晖喷发。图2-BeppoSAX（1996-2002）1997年2月首次探测并定位伽玛暴实例图3-Swift效果图（2004-至今）如图5所示，BAT系统由一整块约54000个铝砖（5×5×1mm）组成的2.7m2的D-形可编码掩膜板和下方的32768块4×4×2mm的CdZnTe（CZT）组成的其中D形可编程掩膜板为厚度5cm的复合蜂窝板，复合纤维在探测平面上方1m的位置。其中的铝砖单元采取随机50%概率开启50%概率闭合的工作模式，使整体上或得收益1.4立体角的半视场。Z级别的遮光板环绕在探测平面和掩膜平面的夹层，降低各项同性的宇宙射线本底噪声和各向异性的来自地球的反照率通量（可去除95%）。图6-Bat系统中的D-形可编码掩膜板BAT系统的探测平面中每128个探测单元组成数组，总共有8×16组数组组合而成，每一组都包含128个通道以突出特定的应用程序集成电路。其中每两个数组组合成一个模块，进一步将系统划分为8个模块，这种层级结构和随机的高容错率的编码掩膜板技术共同决定了BAT的超高容错率。其中单个探测器，单个数组，甚至单个模块的错误不会影响探测器的整体性能。CZT数组的标称工作温度为293.15±1K°，典型工作偏压为-200V，最大偏压-300V。在搜索伽玛暴的过程中，BAT对全天（区）的硬X射线进行研究和监测，每5分钟绘制累积探测平面图并发送回地面基站（这些是探测器正常遥控传输数据的一部分），在标定寿命2年的时间中，BAT探测系统将完成天空图像测绘和伽玛来源位置搜索的功能。下面给出一个BAT工作的典型事例曲线。图7-BAT探测器对60keV能量的伽马射线的典型信号X-射线望远镜（XRT）：0.3-10keVXRT系统采用WolterⅠ望远镜和XMMEPICCCD的探测器，在1.5keV的能量下有效探测面积达135cm2，拥有23.6×23.6（角分）的视场范围，系统探测器由600×600个像素单元组成，单像素视场为2.36角秒/像素，望远镜的点扩散函数（PSF）在1.5keV的能量下为18角秒HPD，定位精度达3-5角秒，测量能量范围为0.2keV到10keV，图8-XRT探测系统结构图XRT系统的主要任务是测量在X波段的光通量，光谱和伽玛暴和余晖时的光变曲线，其探测灵敏度高，对光通量的测定范围大，可以测定光强在7个数量级内的变化。XRT目标（一个典型的伽马暴）在10s内进行精度5角秒的探测以研究在从伽马暴后20-70s到之后几天甚至几星期中的X射线的变化。XRT系统是聚焦X射线望远镜，有110cm2的有效区域。包括x射线反射镜，隔热板，电子偏转器。为防止反射镜在空间轨道退化影响整体模块性能，它被一个保持在293.15±5K°渐变<1K°的主动控制隔热板包裹。相机在复合望远镜管的焦平面上，包括一个单的图9-XRT与BAT在成像上的位置关系XRT系统在BAT系统检测到信号并调整位置后开始对伽玛暴来源进行测量，图9给出了发现伽玛暴时BAT的视场（红色）和调整位置后BAT的视场（蓝色）以及调整后XRT的视场（绿色）之间的位置关系。紫外可见光望远镜（UVOT）170-600nmUVOT系统采用改进的Ritchey-Chrétien望远镜，入瞳直径30cm，F数为12.7。该系统的探测器为加强版CCD（ChargeCoupledDevice），操作模式与BAT相同，为光子计数。其视场大小为17×17角分，由2048×2048个单像素探测单元组建而成。系统所探测的波长范围从170nm到650nm，对350nm的波长，系统望远镜的点散函数（PSF）为0.9角秒，系统总定位精度达0.3角秒，单像素探测范围0.48角秒。系统将探测到的图像用6种颜色表示（有紫外波段），对于400nm的波长，图像谱分辨率为λΔλ=200，探测灵敏度为B=24（白光曝光1000s），探测饱和光强为图10-UVOT的内部结构图3、实验结果（Result）来源网页:/about_swift/discoveries.html只列出一些重要结果：Swift发现GRB090423，刷新了（当时）宇宙中的最远距离。用已知光谱比对测量，其红移为z=8.3。Swift测量了高红移区域（z>5）【利用伽马暴测定】的金属元素丰度UVOT和XRT提供了短脉冲的硬伽玛暴的角秒分辨率的位置，从而可以对他们的所在星系进行标识。这种超短脉冲通常认为来自于双中子星碰撞。Swif发现了当前不知道的一类的持续时间长的软伽玛暴，这种伽玛暴似乎与超新星没有关系。XRT发现了伽玛暴中X射线的耀斑并且发现在某些情况下，X射线的余晖衰减的很慢。这表秒中央能量源在伽玛暴之后的几分钟到几小时内仍然在活动。UVOT获取了大量的各种类型的超新星的独特的紫外曲线。XRT已经观察到在冲击暴发的超新星中存在X射线闪现。BAT在最深紫外波段的研究数据已经发现了>400个活动星系和（AGN）包括两个Seyfert星系（内部存在黑洞的能量巨大的星系）。Swift与XMM-Newton小组合作发现了NGC5408星系中存在中等质量黑洞的最好证据。Swift与Fermi实验室合作发现两个软伽马射线再现源：SGR0501+4516和SGR0415-5729。Swift获得了鹿林彗星和8p/塔特尔彗星的独特的紫外线和X射线数据，并偶然观察到深度撞击。4、实验展望（Future）Swift实验已经在伽玛暴的探测方面获取很大的成就，首先一个最终要的建议就是要延长其运行时间或加紧开发下一代伽玛暴空间探测器。因为伽玛暴的事例很少，平均每年才能或得几百次的伽玛暴事例，这么少的事例对于拿来进行统计学上的宇宙学研究根本不够用。所有在伽玛暴探测方面没有足够的数据，只有更多的需求。第二点是Swift在各个波段探测器之间的协调性还可以再增加，当伽玛暴触发BAT探测器后，应该在1s内完成转动，设备小幅度转动，或者优先只让某一波段的探测器快速转动到位进行测量，这样可以测量伽马射线喷发同时的X射线和紫外波段的谱线。（感觉这实验做的挺完美的…想不出什么了==）附：SwiftMissionHistory[\o"Editsection:Missionhistory"edit]Swift

waslaunchedonNovember20,2004,andreachedanear-perfectorbitof586x601kmaltitude,withaninclinationof20°.OnDecember4,ananomalyoccurredduringinstrumentactivationwhentheThermo-ElectricCooler(TEC)PowerSupplyfortheX-RayTelescopedidnotturnonasexpected.TheXRTTeamat

\o"UniversityofLeicester"Leicester

and

\o"PennStateUniversity"PennStateUniversity

wereabletodetermineonDecember8thattheXRTwouldbeusableevenwithouttheTECbeingoperational.AdditionaltestingonDecember16didnotyieldanyfurtherinformationastothecauseoftheanomaly.OnDecember17at07:28:30UT,theSwiftBurstAlertTelescope(BAT)triggeredandlocatedonboardanapparentgamma-rayburstduringlaunchandearlyoperations.[8]

Thespacecraftdidnotautonomouslyslewtotheburstsincenormaloperationhadnotyetbegun,andautonomousslewingwasnotyetenabled.

Swift

haditsfirstGRBtriggerduringaperiodwhentheautonomousslewingwasenabledonJanuary17,2005,atabout12:55UTC.ItpointedtheXRTtelescopetotheon-boardcomputedcoordinatesandobservedabrightX-raysourceinthefieldofview.OnFebruary1,2005,themissionteamreleasedthe

\o"Firstlight(astronomy)"firstlight

pictureoftheUVOTinstrumentanddeclared

Swiftoperational.AsofMay2010,

Swift

hasdetectedmorethan500GRBs,X-rayafterglows