1210243-王子祺-宇宙線實驗期末作業(yè)-SWIFT實驗

SWIFT實驗（伽馬暴空間探測器）1210243王子祺伯苓班1、實驗?zāi)康模∕otivation）伽馬射線暴發(fā)（Gamma-rayburst：GRBs）是除宇宙大爆炸外能量最高的宇宙射線暴發(fā)。平均下來大約每天在我們的宇宙中都會發(fā)生一次伽瑪暴（我們能探測的）——這種短暫但極其強烈一閃而過的伽馬射線事件。他們會從天空的各個方向出現(xiàn)，持續(xù)長度也從幾百秒到幾百萬秒不等。迄今為止還尚未有一種靠譜的理論能將這種宇宙現(xiàn)象完美解釋。我們不知道這些信號來自哪里，是來自于大質(zhì)量星球被黑洞吞噬（或其本身變?yōu)楹诙矗?？或是來自中子雙星的周期運動？亦或是源自某些未知的宇宙現(xiàn)象（比如玄乎其神的夸克星與類星體）？并且這些高能伽馬射線又會進一步引起那些宇宙學(xué)現(xiàn)象？圖1-恒星演化模式圖（在坍縮為黑洞時會發(fā)出強烈的γ暴）解決這一系列的追問迫使我們不得不對宇宙中的GRBs進行精確地測量。在1996年NASA曾發(fā)射過BeppoSAX衛(wèi)星用來進行γ暴的探測，1997年二月BeppoSAX首次觀察到了γ暴并用它所攜帶的X射線探測器很迅速的測定了其來源方向。而現(xiàn)在Swift將成為定量的給出這些問題以答案的更加強有力的工具。我們將利用它解決伽瑪暴之謎（起源之謎）~Swift的三個組成部分（下文介紹）可以將對伽瑪暴的測定提升到從未有過速度與精度。在最初的幾秒即可發(fā)現(xiàn)并定位伽瑪暴的來源，并將地址傳輸給地面基站。讓全世界所有的地面和空間探測器都有機會觀察伽瑪暴的余暉（GRB’sAfterglow）。在幾種對γ暴起源的假設(shè)模型中，γ射線瞬間暴發(fā)后應(yīng)衰退為由噴射物和星際氣體碰撞產(chǎn)生波長更長的射線。通常將這種現(xiàn)象稱為余暉（Afterglow），在γ暴的研究中有很重要的地位。對余暉的測量可以幫助我們了解γ暴與星際物質(zhì)的相互作用和其起源。早期（該系列實驗前）對γ暴觀測的不成功源于不能在暴發(fā)后短時間內(nèi)測定γ暴的來源，導(dǎo)致地面和空間探測器都不能記錄到完整的余暉信號。而Swift由非常敏感的探測器組建，能快速響應(yīng)并探測γ暴的來源，并進一步精確測定其余暉噴發(fā)。圖2-BeppoSAX（1996-2002）1997年2月首次探測并定位伽瑪暴實例圖3-Swift效果圖（2004-至今）如圖5所示，BAT系統(tǒng)由一整塊約54000個鋁磚（5×5×1mm）組成的2.7m2的D-形可編碼掩膜板和下方的32768塊4×4×2mm的CdZnTe（CZT）組成的其中D形可編程掩膜板為厚度5cm的復(fù)合蜂窩板，復(fù)合纖維在探測平面上方1m的位置。其中的鋁磚單元采取隨機50%概率開啟50%概率閉合的工作模式，使整體上或得收益1.4立體角的半視場。Z級別的遮光板環(huán)繞在探測平面和掩膜平面的夾層，降低各項同性的宇宙射線本底噪聲和各向異性的來自地球的反照率通量（可去除95%）。圖6-Bat系統(tǒng)中的D-形可編碼掩膜板BAT系統(tǒng)的探測平面中每128個探測單元組成數(shù)組，總共有8×16組數(shù)組組合而成，每一組都包含128個通道以突出特定的應(yīng)用程序集成電路。其中每兩個數(shù)組組合成一個模塊，進一步將系統(tǒng)劃分為8個模塊，這種層級結(jié)構(gòu)和隨機的高容錯率的編碼掩膜板技術(shù)共同決定了BAT的超高容錯率。其中單個探測器，單個數(shù)組，甚至單個模塊的錯誤不會影響探測器的整體性能。CZT數(shù)組的標(biāo)稱工作溫度為293.15±1K°，典型工作偏壓為-200V，最大偏壓-300V。在搜索伽瑪暴的過程中，BAT對全天（區(qū)）的硬X射線進行研究和監(jiān)測，每5分鐘繪制累積探測平面圖并發(fā)送回地面基站（這些是探測器正常遙控傳輸數(shù)據(jù)的一部分），在標(biāo)定壽命2年的時間中，BAT探測系統(tǒng)將完成天空圖像測繪和伽瑪來源位置搜索的功能。下面給出一個BAT工作的典型事例曲線。圖7-BAT探測器對60keV能量的伽馬射線的典型信號X-射線望遠鏡（XRT）：0.3-10keVXRT系統(tǒng)采用WolterⅠ望遠鏡和XMMEPICCCD的探測器，在1.5keV的能量下有效探測面積達135cm2，擁有23.6×23.6（角分）的視場范圍，系統(tǒng)探測器由600×600個像素單元組成，單像素視場為2.36角秒/像素，望遠鏡的點擴散函數(shù)（PSF）在1.5keV的能量下為18角秒HPD，定位精度達3-5角秒，測量能量范圍為0.2keV到10keV，圖8-XRT探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖XRT系統(tǒng)的主要任務(wù)是測量在X波段的光通量，光譜和伽瑪暴和余暉時的光變曲線，其探測靈敏度高，對光通量的測定范圍大，可以測定光強在7個數(shù)量級內(nèi)的變化。XRT目標(biāo)（一個典型的伽馬暴）在10s內(nèi)進行精度5角秒的探測以研究在從伽馬暴后20-70s到之后幾天甚至幾星期中的X射線的變化。XRT系統(tǒng)是聚焦X射線望遠鏡，有110cm2的有效區(qū)域。包括x射線反射鏡，隔熱板，電子偏轉(zhuǎn)器。為防止反射鏡在空間軌道退化影響整體模塊性能，它被一個保持在293.15±5K°漸變<1K°的主動控制隔熱板包裹。相機在復(fù)合望遠鏡管的焦平面上，包括一個單的圖9-XRT與BAT在成像上的位置關(guān)系XRT系統(tǒng)在BAT系統(tǒng)檢測到信號并調(diào)整位置后開始對伽瑪暴來源進行測量，圖9給出了發(fā)現(xiàn)伽瑪暴時BAT的視場（紅色）和調(diào)整位置后BAT的視場（藍色）以及調(diào)整后XRT的視場（綠色）之間的位置關(guān)系。紫外可見光望遠鏡（UVOT）170-600nmUVOT系統(tǒng)采用改進的Ritchey-Chrétien望遠鏡，入瞳直徑30cm，F(xiàn)數(shù)為12.7。該系統(tǒng)的探測器為加強版CCD（ChargeCoupledDevice），操作模式與BAT相同，為光子計數(shù)。其視場大小為17×17角分，由2048×2048個單像素探測單元組建而成。系統(tǒng)所探測的波長范圍從170nm到650nm，對350nm的波長，系統(tǒng)望遠鏡的點散函數(shù)（PSF）為0.9角秒，系統(tǒng)總定位精度達0.3角秒，單像素探測范圍0.48角秒。系統(tǒng)將探測到的圖像用6種顏色表示（有紫外波段），對于400nm的波長，圖像譜分辨率為λΔλ=200，探測靈敏度為B=24（白光曝光1000s），探測飽和光強為圖10-UVOT的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3、實驗結(jié)果（Result）來源網(wǎng)頁:/about_swift/discoveries.html只列出一些重要結(jié)果：Swift發(fā)現(xiàn)GRB090423，刷新了（當(dāng)時）宇宙中的最遠距離。用已知光譜比對測量，其紅移為z=8.3。Swift測量了高紅移區(qū)域（z>5）【利用伽馬暴測定】的金屬元素豐度UVOT和XRT提供了短脈沖的硬伽瑪暴的角秒分辨率的位置，從而可以對他們的所在星系進行標(biāo)識。這種超短脈沖通常認(rèn)為來自于雙中子星碰撞。Swif發(fā)現(xiàn)了當(dāng)前不知道的一類的持續(xù)時間長的軟伽瑪暴，這種伽瑪暴似乎與超新星沒有關(guān)系。XRT發(fā)現(xiàn)了伽瑪暴中X射線的耀斑并且發(fā)現(xiàn)在某些情況下，X射線的余暉衰減的很慢。這表秒中央能量源在伽瑪暴之后的幾分鐘到幾小時內(nèi)仍然在活動。UVOT獲取了大量的各種類型的超新星的獨特的紫外曲線。XRT已經(jīng)觀察到在沖擊暴發(fā)的超新星中存在X射線閃現(xiàn)。BAT在最深紫外波段的研究數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了>400個活動星系和（AGN）包括兩個Seyfert星系（內(nèi)部存在黑洞的能量巨大的星系）。Swift與XMM-Newton小組合作發(fā)現(xiàn)了NGC5408星系中存在中等質(zhì)量黑洞的最好證據(jù)。Swift與Fermi實驗室合作發(fā)現(xiàn)兩個軟伽馬射線再現(xiàn)源：SGR0501+4516和SGR0415-5729。Swift獲得了鹿林彗星和8p/塔特爾彗星的獨特的紫外線和X射線數(shù)據(jù)，并偶然觀察到深度撞擊。4、實驗展望（Future）Swift實驗已經(jīng)在伽瑪暴的探測方面獲取很大的成就，首先一個最終要的建議就是要延長其運行時間或加緊開發(fā)下一代伽瑪暴空間探測器。因為伽瑪暴的事例很少，平均每年才能或得幾百次的伽瑪暴事例，這么少的事例對于拿來進行統(tǒng)計學(xué)上的宇宙學(xué)研究根本不夠用。所有在伽瑪暴探測方面沒有足夠的數(shù)據(jù)，只有更多的需求。第二點是Swift在各個波段探測器之間的協(xié)調(diào)性還可以再增加，當(dāng)伽瑪暴觸發(fā)BAT探測器后，應(yīng)該在1s內(nèi)完成轉(zhuǎn)動，設(shè)備小幅度轉(zhuǎn)動，或者優(yōu)先只讓某一波段的探測器快速轉(zhuǎn)動到位進行測量，這樣可以測量伽馬射線噴發(fā)同時的X射線和紫外波段的譜線。（感覺這實驗做的挺完美的…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