1210243-王子祺-宇宙線實(shí)驗(yàn)期末作業(yè)-SWIFT實(shí)驗(yàn)

SWIFT實(shí)驗(yàn)（伽馬暴空間探測(cè)器）1210243王子祺伯苓班1、實(shí)驗(yàn)?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(lái)大約每天在我們的宇宙中都會(huì)發(fā)生一次伽瑪暴（我們能探測(cè)的）——這種短暫但極其強(qiáng)烈一閃而過(guò)的伽馬射線事件。他們會(huì)從天空的各個(gè)方向出現(xiàn)，持續(xù)長(zhǎng)度也從幾百秒到幾百萬(wàn)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(hào)來(lái)自哪里，是來(lái)自于大質(zhì)量星球被黑洞吞噬（或其本身變?yōu)楹诙矗炕蚴莵?lái)自中子雙星的周期運(yùn)動(dòng)？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(huì)進(jìn)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(shí)會(huì)發(fā)出強(qiáng)烈的γ暴）解決這一系列的追問(wèn)迫使我們不得不對(duì)宇宙中的GRBs進(jìn)行精確地測(cè)量。在1996年NASA曾發(fā)射過(guò)BeppoSAX衛(wèi)星用來(lái)進(jìn)行γ暴的探測(cè)，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(cè)器很迅速的測(cè)定了其來(lái)源方向。而現(xiàn)在Swift將成為定量的給出這些問(wèn)題以答案的更加強(qiáng)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(gè)組成部分（下文介紹）可以將對(duì)伽瑪暴的測(cè)定提升到從未有過(guò)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(lái)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(cè)器都有機(jī)會(huì)觀察伽瑪暴的余暉（GRB’sAfterglow）。在幾種對(duì)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(zhǎng)更長(zhǎng)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(duì)余暉的測(cè)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(shí)驗(yàn)前）對(duì)γ暴觀測(cè)的不成功源于不能在暴發(fā)后短時(shí)間內(nèi)測(cè)定γ暴的來(lái)源，導(dǎo)致地面和空間探測(cè)器都不能記錄到完整的余暉信號(hào)。而Swift由非常敏感的探測(cè)器組建，能快速響應(yīng)并探測(cè)γ暴的來(lái)源，并進(jìn)一步精確測(cè)定其余暉噴發(fā)。圖2-BeppoSAX（1996-2002）1997年2月首次探測(cè)并定位伽瑪暴實(shí)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(gè)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(cè)平面上方1m的位置。其中的鋁磚單元采取隨機(jī)50%概率開(kāi)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(chǎng)。Z級(jí)別的遮光板環(huán)繞在探測(cè)平面和掩膜平面的夾層，降低各項(xiàng)同性的宇宙射線本底噪聲和各向異性的來(lái)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(cè)平面中每128個(gè)探測(cè)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(gè)通道以突出特定的應(yīng)用程序集成電路。其中每?jī)蓚€(gè)數(shù)組組合成一個(gè)模塊，進(jìn)一步將系統(tǒng)劃分為8個(gè)模塊，這種層級(jí)結(jié)構(gòu)和隨機(jī)的高容錯(cuò)率的編碼掩膜板技術(shù)共同決定了BAT的超高容錯(cuò)率。其中單個(gè)探測(cè)器，單個(gè)數(shù)組，甚至單個(gè)模塊的錯(cuò)誤不會(huì)影響探測(cè)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(guò)程中，BAT對(duì)全天（區(qū)）的硬X射線進(jìn)行研究和監(jiān)測(cè)，每5分鐘繪制累積探測(cè)平面圖并發(fā)送回地面基站（這些是探測(cè)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(shí)間中，BAT探測(cè)系統(tǒng)將完成天空?qǐng)D像測(cè)繪和伽瑪來(lái)源位置搜索的功能。下面給出一個(gè)BAT工作的典型事例曲線。圖7-BAT探測(cè)器對(duì)60keV能量的伽馬射線的典型信號(hào)X-射線望遠(yuǎn)鏡（XRT）：0.3-10keVXRT系統(tǒng)采用WolterⅠ望遠(yuǎn)鏡和XMMEPICCCD的探測(cè)器，在1.5keV的能量下有效探測(cè)面積達(dá)135cm2，擁有23.6×23.6（角分）的視場(chǎng)范圍，系統(tǒng)探測(cè)器由600×600個(gè)像素單元組成，單像素視場(chǎng)為2.36角秒/像素，望遠(yuǎn)鏡的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（PSF）在1.5keV的能量下為18角秒HPD，定位精度達(dá)3-5角秒，測(cè)量能量范圍為0.2keV到10keV，圖8-XRT探測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖XRT系統(tǒng)的主要任務(wù)是測(cè)量在X波段的光通量，光譜和伽瑪暴和余暉時(shí)的光變曲線，其探測(cè)靈敏度高，對(duì)光通量的測(cè)定范圍大，可以測(cè)定光強(qiáng)在7個(gè)數(shù)量級(jí)內(nèi)的變化。XRT目標(biāo)（一個(gè)典型的伽馬暴）在10s內(nèi)進(jìn)行精度5角秒的探測(cè)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(yuǎn)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(gè)保持在293.15±5K°漸變<1K°的主動(dòng)控制隔熱板包裹。相機(jī)在復(fù)合望遠(yuǎn)鏡管的焦平面上，包括一個(gè)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(cè)到信號(hào)并調(diào)整位置后開(kāi)始對(duì)伽瑪暴來(lái)源進(jìn)行測(cè)量，圖9給出了發(fā)現(xiàn)伽瑪暴時(shí)BAT的視場(chǎng)（紅色）和調(diào)整位置后BAT的視場(chǎng)（藍(lán)色）以及調(diào)整后XRT的視場(chǎng)（綠色）之間的位置關(guān)系。紫外可見(jiàn)光望遠(yuǎn)鏡（UVOT）170-600nmUVOT系統(tǒng)采用改進(jìn)的Ritchey-Chrétien望遠(yuǎn)鏡，入瞳直徑30cm，F(xiàn)數(shù)為12.7。該系統(tǒng)的探測(cè)器為加強(qiáng)版CCD（ChargeCoupledDevice），操作模式與BAT相同，為光子計(jì)數(shù)。其視場(chǎng)大小為17×17角分，由2048×2048個(gè)單像素探測(cè)單元組建而成。系統(tǒng)所探測(cè)的波長(zhǎng)范圍從170nm到650nm，對(duì)350nm的波長(zhǎng)，系統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡的點(diǎn)散函數(shù)（PSF）為0.9角秒，系統(tǒng)總定位精度達(dá)0.3角秒，單像素探測(cè)范圍0.48角秒。系統(tǒng)將探測(cè)到的圖像用6種顏色表示（有紫外波段），對(duì)于400nm的波長(zhǎng)，圖像譜分辨率為λΔλ=200，探測(cè)靈敏度為B=24（白光曝光1000s），探測(cè)飽和光強(qiáng)為圖10-UVOT的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果（Result）來(lái)源網(wǎng)頁(yè):/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(shí)）宇宙中的最遠(yuǎn)距離。用已知光譜比對(duì)測(cè)量，其紅移為z=8.3。Swift測(cè)量了高紅移區(qū)域（z>5）【利用伽馬暴測(cè)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(duì)他們的所在星系進(jìn)行標(biāo)識(shí)。這種超短脈沖通常認(rèn)為來(lái)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(shí)間長(zhǎng)的軟伽瑪暴，這種伽瑪暴似乎與超新星沒(méi)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(shí)內(nèi)仍然在活動(dòng)。UVOT獲取了大量的各種類型的超新星的獨(dú)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(gè)活動(dòng)星系和（AGN）包括兩個(gè)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(shí)驗(yàn)室合作發(fā)現(xiàn)兩個(gè)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(dú)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(shí)驗(yàn)展望（Future）Swift實(shí)驗(yàn)已經(jīng)在伽瑪暴的探測(cè)方面獲取很大的成就，首先一個(gè)最終要的建議就是要延長(zhǎng)其運(yùn)行時(shí)間或加緊開(kāi)發(fā)下一代伽瑪暴空間探測(cè)器。因?yàn)橘が敱┑氖吕苌?，平均每年才能或得幾百次的伽瑪暴事例，這么少的事例對(duì)于拿來(lái)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)上的宇宙學(xué)研究根本不夠用。所有在伽瑪暴探測(cè)方面沒(méi)有足夠的數(shù)據(jù)，只有更多的需求。第二點(diǎn)是Swift在各個(gè)波段探測(cè)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(cè)器后，應(yīng)該在1s內(nèi)完成轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)備小幅度轉(zhuǎn)動(dòng)，或者優(yōu)先只讓某一波段的探測(cè)器快速轉(zhuǎn)動(dòng)到位進(jìn)行測(cè)量，這樣可以測(cè)量伽馬射線噴發(fā)同時(shí)的X射線和紫外波段的譜線。（感覺(jué)這實(shí)驗(yàn)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