Swift
Organisasjon |
NASA ( Goddard Space Flight Center ) |
---|---|
Program | Utforsk (MIDEX) |
Felt | Observasjon av gammastrålebrister |
Mission typen | UV-, X- og gamma- romteleskop |
Status | Operasjonelt |
Andre navn | Swift Gamma-Ray Burst Explorer deretter Neil Gehrels Swift Observatory fra 2018 |
Start | 20. november 2004 |
Launcher | Delta II 7320-10C |
COSPAR-identifikator | 2004-047A |
Nettstedet | swift.gsfc.nasa.gov |
Messe ved lansering | 1.470 kg |
---|
Bane | Lav jordbane |
---|---|
Høyde | 600 km |
Periode | 90 minutter |
Tilbøyelighet | 20,6 ° |
Type |
Kodet maske (BAT), Wolter I (XRT), Ritchey-Chrétien (UVOT) |
---|---|
Bølgelengde | Synlig , ultrafiolett , røntgen , myke gammastråler |
FLAGGERMUS | Hardt røntgen / mykt gammateleskop |
---|---|
XRT | Mykt røntgenteleskop |
UVOT | Teleskop (optisk / ultrafiolett) |
Swift ( Neil Gehrels Swift Observatory på engelsk) er et romteleskop multispektral ( røntgenstråler hardt og mykt, ultrafiolett , synlig lys ) utviklet av romfartsorganisasjonen US , NASA , med store bidrag fra Italia og United Uni . Swift ble lansert i 2004 av en Delta 2- bærerakett, oghar som mål å identifisere, lokalisere og observere gammastråleskurer . Dette Explorer-programoppdraget er pilotert av Goddard Space Flight Center og koster omtrent 250 millioner dollar . Den State University of Pennsylvania har en sentral rolle i å oppnå vitenskapelig instrumentering, og hjem til misjon kontrollsenteret i romteleskopet. Det første oppdraget skal vare i to år, men oppdraget utvides flere ganger, og Swift er fortsatt fullt operativt fra juni 2020.
De gammaglimt er de mest voldelige astronomiske fenomener i vårt univers. De er preget av en utslipp av gammastråler som varer bare noen få millisekunder til noen få minutter. På grunn av denne kortfattetheten, og selv om oppdagelsen av dette fenomenet dateres tilbake til 1967, hadde astronomer på tidspunktet for lanseringen av Swift liten informasjon om opprinnelsen og egenskapene til gammastråleutbrudd. De tekniske problemene som generelt oppstår ved observasjon av gammastråling, tillater bare en grov lokalisering av gammastrålesprengning. Imidlertid oppdaget BeppoSAX- teleskopet i 1997 at gammastrålesprengning etterfølges av røntgen og synlige domeneutslipp som varer i flere timer eller til og med dager. Swift Space Observatory er designet for å utnytte denne funksjonen takket være de tre instrumentene som den har til rådighet. Dens BAT- gamma-teleskop observerer kontinuerlig en stor del av himmelen for å oppdage gammastrålebrister. Dataene som samles inn blir analysert i sanntid ved hjelp av konfigurerbar innebygd programvare som, så snart den identifiserer den karakteristiske signaturen til en gammastrålesprengning, overfører sin posisjon til både de to andre instrumentene og til bakkekontrollerne via satellittnettet til NASAs geostasjonære TDRSS- telekommunikasjon . Satellitten, designet for å rotere raskt, peker på et XRT -røntgenteleskop og UVOT- optisk ( synlig lys / ultrafiolett ) teleskop som er samjustert til regionen der skuddet skjedde, og som er i stand til å gi en mye mer presis posisjon enn gammaobservatoriet. . Dette kommuniseres 90 sekunder etter deteksjon til land- eller rominstrumenter med kraftigere optikk.
Swift har observert mer enn 1000 gammastrålebrister siden lanseringen (situasjon på slutten av 2015). Det gjør det mulig å bestemme det visuelle motstykket til mange kilder som ligger i fjerne galakser, og å bekrefte at de fleste gammastråleskader er assosiert med kollaps av en gigantisk stjerne, noe som resulterer i dannelsen av et svart hull eller en nøytronstjerne (lange brister) eller sammenslåing av to binære nøytronstjerner (korte utbrudd). Det er det mest effektive observatoriet i oversikten over forbigående astronomiske fenomener og astronomiske kilder til harde røntgenstråler.
Målet med Swift- oppdraget er å studere gammastråleutbrudd . Dette astronomiske fenomenet, det mest voldsomme i vårt univers, ble oppdaget i 1967. Det kan bare observeres fra verdensrommet, og dets kortfattethet og gammastrålingens natur gir tekniske problemer for observasjonen som ikke kunne løses. Forklaringene til dette fenomenet begynte først å dukke opp etter flere tiår, og lanseringen av flere romoppdrag som Swift er kronprestasjonen for.
En gammastråle-burst er karakterisert ved en plutselig, men kort bombardement av jorden med gammastråler (noen få fotoner per cm 2 og per sekund i 50 for å 300 keV energispektrum ) som kommer fra en punktkilde. Varigheten er kort: fra noen få millisekunder til noen titalls minutter. Dette fenomenet, av ekstra-galaktisk opprinnelse (kilden er utenfor vår galakse ), er manifestasjonen av den astronomiske hendelsen som frigjør den sterkeste energien i universet : i løpet av få sekunder frigjør gammastrålesprengningen mer energi enn den produsert av solen vår i løpet av hele sitt liv i hovedsekvensen ( 10 milliarder år). Utslippet av gammastråler blir fulgt av mindre energiske utslipp ( røntgenstråler , ultrafiolett , synlig lys , infrarød , mikrobølgeovn og radiobølger ) og av lengre varighet (noen timer til noen dager). Gamma-ray bursts er klassifisert i to kategorier etter varighet: korte bursts hvis stråling er merkbar 0,3 sekunder og de fleste lange bursts med en gjennomsnittlig varighet på 30 sekunder. Gamma-ray bursts blir oppdaget med en gjennomsnittlig frekvens på en per dag av Compton Gamma-Ray Observatory, og deres kilder er jevnt fordelt på himmelen.
Den vanligste forklaringen på lange gammastråleskader er at de er biproduktet til en hypernova av en bestemt type: kollaps . Hypernova er eksplosjonen til en gigantisk stjerne (20 til 30 ganger massen av solen vår) på slutten av sin levetid, som skyldes dens gravitasjonskollaps og resulterer i dannelsen av enten en nøytronstjerne eller et svart hull . Materialet ved periferien av stjernens kjerne er tiltrukket av den tettere sentrale regionen og genererer en akkresjonsskive med sterkt differensierte rotasjonshastigheter avhengig av avstanden fra rotasjonssenteret. Denne rotasjonen genererer et magnetfelt . Det er flere typer hypernova avhengig av stjernens egenskaper. Hvis stjernen er ekstremt massiv, med lav metallisitet og dens opprinnelige rotasjonshastighet er høy (tilfelle av kollapsar), gir torsjonen til linjene til magnetfeltet som genereres av hastighetsforskjellen i akkretjonsskiven to smale og symmetriske stråler av materiale hvis retning smelter sammen med rotasjonsaksen. Strålen sendes ut i hastigheter nær lysets i vakuum ( relativistisk hastighet ) og er derfor underlagt relativistiske fenomener. Den nøyaktige prosessen bak gammastrålingen som observeres i en gammastrålesprengning er fortsatt kontroversiell. I henhold til den vanligste modellen, kalt “ildkule” , er ikke hastighet, trykk, temperatur og tetthet i det utkastede materialet homogent. Når et materiallag henter et annet, produserer sjokket gammafotoner. Dette fenomenet er kort fordi det utviste stoffet deretter kolliderer med det interstellare mediet som produserer mindre energisk stråling (røntgen, synlig, ultrafiolett ...) over en lengre periode.
Juli 1967 | Utilsiktet oppdagelse av to amerikanske Vela -varslingssatellitter om kraftige, korte og punktlige gammautslipp. Kilden deres er ukjent. |
Rundt 1970 | Ingeniører fra Los Alamos nasjonale laboratorium prøver å identifisere opprinnelsen til fenomenet, men kjente potensielle astronomiske kilder til gammastråler (sol, supernova osv.) Er utelukket. |
1973 | Fenomenet som hittil er dekket av militær hemmelighold er avklassifisert. Det kalles "Gamma Ray Burst". |
1991-1996 | Romobservatoriet Compton Gamma Ray Observatory of NASA ble lansert i 1991. Dataene som ble samlet inn viser at kildene til gammastrålesprengninger er fordelt jevnt over himmelen, noe som indikerer ekstragalaktisk opprinnelse. Satellitten oppdager omtrent en gammastråling per dag. Den identifiserer to familier av gammastrålesprengninger preget av kort varighet (i gjennomsnitt 0,3 sekunder) og lang (i gjennomsnitt 30 sekunder) |
1997 | Plassere den italienske romorganisasjonen sin BeppoSAX romteleskopet i bane Dette oppdager et restutslipp forbundet med lange støt i X- ray stråling som varer i flere timer, og med flere dager. Denne oppdagelsen gjør det mulig å evaluere fenomenets avstand ved å måle rødskiftet til den optiske motparten. Det lengste gammastrålesprenget er flere milliarder lysår unna ( rød forskyvning på 4,5). Implikasjonene for mengden frigitt energi antyder at burst bare kan knyttes til sammenbruddet av en gigantisk stjerne som resulterer i dannelsen av et svart hull .
|
De gammaglimt ble oppdaget ved et uhell i juli 1967 av to tidlig varsling satellitt amerikanske Vela . Disse er ansvarlige for å overvåke traktatens anvendelse for å forby atmosfæriske kjernefysiske tester og har gammainstrumenter for å oppdage mulige hemmelige atomeksplosjoner . Det mottatte signalet er uforklarlig, men instrumentene ombord, upresise, tillater ikke ingeniørene fra Los Alamos nasjonale laboratorium som er ansvarlig for Vela-konstellasjonen, å fortsette etterforskningen. Instrumenter av bedre kvalitet er installert ombord på Vela-satellittene som går i bane mellom 1969 og 1970. En grov triangulering av kildene til seksten gammastråleskurer utføres ved å sammenligne den nøyaktige tiden for påvisning av gammastråleskuddene fra de forskjellige satellittene. . Disse tiltakene eliminerer alle gammastrålingskilder som er kjent på dette tidspunktet: supernova , jord , måne , sol . Dataene er dekket av militærhemmelighold på grunn av Vela-programmets natur, men de blir endelig avklassifisert i 1973. Oppdagelsen av de mystiske signalene blir offentliggjort i en artikkel publisert i The Astrophysical Journal . Det nye fenomenet kalles da gammastrålespreng eller GRB (" G amma R ay B urst ", eller gammastråleskur).
Det første signalet om en gammastrålesprengning registrert 2. juli 1967 av et instrument ombord på Vela 4-satellitten.
Vela 5B satellitt gammadetektor.
Fram til 1991 ble det gjort veldig lite fremgang i forklaringen av fenomenet fordi observasjon av gammastråler av galaktisk eller ekstra galaktisk opprinnelse gir mange vanskeligheter. Nøyaktig observasjon fra jorden er ikke mulig fordi gammafotoner samhandler med atomer i jordens atmosfære og forvandles til elektromagnetiske kaskader . Observasjon fra verdensrommet kommer opp mot den meget store gjennomtrengende kraften til svært energiske gammafotoner i materie , noe som forhindrer deres deteksjon ved hjelp av konvensjonelle optiske instrumenter. Gamma-stråldetektorene som var tilgjengelig den gangen var rudimentære. Imidlertid er den nøyaktige plasseringen av kilden på himmelen avgjørende for å kunne knytte den til et himmelobjekt ( stjerne , galakse, etc.) som kan observeres for eksempel i synlig lys eller i røntgenstråling , noe som gjør det er mulig å forklare og studere dette fenomenet. Dessuten, gitt den svært korte varigheten av gammastråling (noen få minutter), er forskningshastigheten med konvensjonell instrumentering utvilsomt viktig for å oppdage kilden.
For å kompensere for manglene ved gammadetektorer, installerer det vitenskapelige samfunnet flere av disse instrumentene ombord på romfartøy hvis oppdrag gir dem en lang avstand fra jorden. Målet er å reprodusere trianguleringsmetoden som brukes av konstellasjonen av Vela- satellitter, men med et mye større avstand mellom bærer romfartøy, slik at kilden kan lokaliseres med bedre presisjon. Settet med detektorer med signal kringkasting prosessen styres innenfor rammen av en internasjonal organisasjon kalt Interplanetary Network (IPN). Det første IPN-nettverket ble opprettet i 1978. Det inkluderte det tyske solobservatoriet Helios 2 , den amerikanske romføleren Pioneer Venus Orbiter , de to sovjetiske venusianske oppdragene Venera 11 og 12 med franske detektorer, den amerikanske satellitten ISEE-3 i bane rundt punktet til Lagrange L 1, samt den sovjetiske satellitten Prognoz 7 og de fortsatt operasjonelle Vela-satellittene som sirkulerer i en høy bane rundt jorden. For første gang plasseres de observerte gammastrålesprengningene på himmelen med en nøyaktighet på rundt ett minutts lysbue .
5. mars 1979 oppdaget de 9 romfartøyene som utgjorde IPN-nettverket på det tidspunktet et kort gammasignal så intenst at det metter detektorene. Men toppen og reduksjonen i intensiteten av strålingen vises i en helt annen form enn den av gammastråleskurene som hittil er oppdaget. Det er faktisk den første representanten for en ny klasse av himmelobjekter: de myke gammastarterne . Astronomer oppdager at kilden til SGR 0526-66 er en spesiell type nøytronstjerne som ligger 165 000 lysår unna i den store magellanske skyen, en dverg- satellittgalakse av Melkeveien , vår galakse. I løpet av denne perioden kan ingen bemerkelsesverdige astronomiske gjenstander observeres i regionene der kildene til "klassiske" gammastrålespreng ligger. Klarer ikke å identifisere kilden nøyaktig, astronomer kan ikke bestemme hvor langt de bor. To teorier kolliderer. For noen astronomer er kilden utenfor vår galakse, men flertallet av dem mener at mengden energi mottatt på jordnivå er for stor til at den kan skje på en slik avstand. For sistnevnte finner disse hendelsene sted i vår galakse og utgjør en manifestasjon av nøytronstjerner .
Observasjonene fra Compton Gamma-Ray Observatory (1991): utelukket den galaktiske opprinnelsen?I 1991, plassen observatoriet Compton Gamma Ray Observatory er NASA utviklet for å studere gammastråling begynner hans observasjoner i bane. Ved å bruke BATSE-instrumentet sitt, som fungerer i 20 keV - 1 MeV spektralbåndet , begynner han å systematisk registrere forbigående gammastrålingskilder inkludert gammabrudd. Instrumentet gjør det mulig å skanne hele himmelen takket være de 8 detektorene som er plassert i hvert hjørne av kroppen til satellitten. Synsfeltet til detektorene overlapper hverandre, slik at en gammastrålesprengning kan være synlig samtidig av 4 detektorer. Siden effekten spiller på intensiteten til signalet, gjør dette arrangementet det mulig å bestemme kildens posisjon med en presisjon på noen få grader for de mest intense gammastråleskurene. I løpet av få år identifiserer Compton Gamma-Ray Observatory flere hundre gammastråleutbrudd. Når disse hendelsene er plassert på et himmelkart (se illustrasjonen overfor), finner astronomer at de fordeles på en helt jevn måte i alle retninger, noe som ekskluderer gammastrålebrudd fra å oppstå i det galaktiske planet (smelter sammen med ekvator på himmelen kart) hvor de fleste av stjernene i Melkeveien , vår galakse, ligger. Det er bare to scenarier igjen. I det første scenariet støttet av astronomer som tilbakeviser ideen om at fenomener med slik kraft kan forekomme på kosmologiske avstander, fordeles kildene til gammastrålesprengninger i den galaktiske glorie , på kanten av vår galakse og i en avstand på rundt 300 000 lys år . For resten av det vitenskapelige samfunnet er opprinnelsen til utbrudd ekstragalaktisk og ligger milliarder lysår unna. Regelmessig fordeling av kilder er en refleksjon av homogeniteten til det store universet demonstrert av andre astronomiske observasjoner. I 1995, for 75 - årsjubileet for den store debatten, har fokusert på tåkenes natur , støtter tilhengere av de to teoriene, Donald Q. Lamb og Bohdan Paczyński , i samme auditorium til National Museum of Natural History stater -Unis ( National Museum of Natural History) i Washington uten å lykkes med å overbevise lytterne.
Fordeling av antall gammastråleskiver observert av BATSE ( CGRO ) i henhold til deres varighet: to klasser av gammastråleskurer kan skilles tydelig.
Kildene til gammastrålespreng som ligger ved BATSE-instrumentet til CGRO- romobservatoriet : fordelingen er jevn, noe som innebærer en ekstragalaktisk opprinnelse.
Det italienske romfartsbyrået utviklet og lanserte BeppoSAX- romteleskopet i 1996 . Denne er ikke ment for observasjon av gammastrålebrudd, men dens egenskaper vil gjøre det mulig å få et avgjørende gjennombrudd. Satellitten kombinerer en gammadetektor med et bredt synsfelt og et røntgenteleskop som kan gi posisjonen til observerte objekter med stor presisjon. Enda viktigere er at overføringskjeden av varsler til jordobservatorier er optimalisert, og de har posisjonen som en gammastråling noen timer etter utseendet, mens denne forsinkelsen utgjorde dager for IPN-nettverket. 28. februar 1997 oppdaget BeppoSAX -instrumentene gammastrålesprengingen GRB 970228 og så noen timer senere en ny kilde til røntgenstråler, hvis posisjon ble gitt med en nøyaktighet på 50 buesekunder. For første gang observeres en rest av fenomenet i en annen bølgelengde. Informasjonen videreformidles til jordobservatorier, og en optisk motstykke (i synlig lys ), som forsvinner mindre enn en uke senere, blir oppdaget på et fotografi tatt samme dag av William-Herschel-teleskopet som ligger på Kanariøyene .
Posisjonen til GRB 970228 er oppnådd med en lysbue-presisjon som gjør det mulig for Hubble-romteleskopet å oppdage et blåaktig, uklart sted som de fleste spesialister identifiserer som en fjern galakse. Denne oppdagelsen ser ut til å bekrefte den ekstragalaktiske opprinnelsen til gammastråleutbrudd, men motstandere av denne teorien hevder at det kan være etterglødet til en mye nærmere nøytronstjerne. Men 8. mai 1997 ble denne teorien definitivt utelukket etter at BeppoSax oppdaget et nytt gammastrålespreng, hvis optiske motstykke kan observeres av WM Keck-observatoriet på Hawaii tidligst. Stort teleskop av verden med speilet 10 meter i diameter. Astronomer får et spektrum av etterglødet til GRB 970508 der de entydig identifiserer spektrallinjene av jern og magnesium i gassform. Disse har en rødforskyvning på 0,83 som gjør det mulig å utlede avstanden fra sin kilde: GRB 970508 ligger ca 6 milliarder lysår unna. Et radiosignal oppdages også fra samme sted. Astronomer trekker fra signalets form at kilden beveger seg i en hastighet nær lysets hastighet. På slutten av 1998 ble mer enn 20 gammastråleskader lokalisert med en nøyaktighet på noen få bueminutter, og for seks av dem ble avstanden etablert ved å måle strålingens rødskift. Disse observasjonene tilbakeviser definitivt teorien om en kilde i Melkeveien (vår galakse) som setter en stopper for en kontrovers som har vart i et tiår.
Hvis det ikke lenger er tvil om den ekstragalaktiske opprinnelsen til gammastrålesprengninger, er det fortsatt langt fra å løse fenomenet. På grunnlag av funnene som er gjort, estimerer spesialister at mengden frigitt energi er mellom 10 51 og 10 52 ergs, et tall som kan sammenlignes med energien som frigjøres av en supernova (10 51 ergs eller konvertering av 1% av massen til Sol i energi). Denne figuren er også kompatibel med flere prosesser forestilt av astrofysikere . Imidlertid viser oppdagelsen av gammastråleskaden GRB 971214, preget av en veldig høy rødskift på 3,42, tvil om produksjonsmekanismen fordi mengden frigitt energi anslås å være 10 ganger større. Men året etter oppdager vi at energistrålen til gammastrålebrudd utvilsomt er retningsbestemt og sendes ut i et romvolum på 0,1 steradianer , noe som bringer mengden energi som frigjøres tilbake til normale verdier. En ny oppdagelse vil tillate oss å gå videre. GRB 980425 gammastrålesprengning ble oppdaget 25. april 1998. Dens signal er normalt, men astronomer innser at den optiske motparten ikke svekkes. Dette er lagt opp med en lys supernova som dukket opp samtidig i en nærliggende galakse. Observasjon av galaksene der de andre gammastrålesprengene befinner seg, viser at de vises blant unge stjerner. Dette funnet strider mot den vanligste oppgaven som forbinder gammastrålesprengingen med fusjonen av to nøytronstjerner : faktisk skjer denne hendelsen vanligvis mer enn en milliard år etter at stjernen dukket opp, derfor i befolkede galakser. Oppdagelsen av spektralegenskapene til en supernova under observasjonen av gammastråleskuddet GRB 030329 23. mars 2003 gjør det mulig å definitivt knytte den lange gammastråleskuren til sammenbruddet av en gigantisk stjerne som resulterer i dannelsen av en supernova . På den annen side forble produksjonsmekanismen og plasseringen av de korte utbruddene, veldig vanskelig å observere på grunn av deres korthet, ukjent på dette tidspunktet.
I 2004 gjorde funnene som ble gjort av BeppoSAX- romteleskopet , samt observasjonene som ble gjort fra bakken, mulig å fastslå at gammastrålebrister forekommer i fjerne galakser ( rød forskyvning mellom 0,0085 og 4,5). På denne datoen bestemmes avstanden til omtrent tretti av disse hendelsene. Men på grunn av kortfattetheten av fenomenet (mindre enn noen få minutter) er det veldig vanskelig å gi en tilstrekkelig presis lokalisering i tide til å tillate detaljerte observasjoner: med unntak av to tilfeller kan observasjonene bare gjøres. Etter en periode på mellom 3 og 8 timer og gjaldt derfor bare utslippene etter gammastråling.
Arkitekturen til Swift- teleskopet er designet for både å akselerere formidling av informasjon til terrestriske teleskoper og uavhengig fortsette studien over et bredt spekter av bølgelengder:
For å oppnå disse målene kombinerer romobservatoriet flere enheter:
De detaljerte målene for Swift- oppdraget ved lansering er som følger:
Varigheten av gammastrålesprengninger er veldig variabel (fra noen få millisekunder til mer enn et minutt) med en gjennomsnittlig varighet på mellom 2 og 10 sekunder. Utslipp etter gammastrålebrudd som er riktig i røntgen og synlig lys spektralområde har variable egenskaper som kan gjenspeile forskjellige genereringsprosesser. På datoen for Swifts lansering ble det identifisert to gamma-ray burst-genereringsprosesser: gravitasjonskollapsen til en gigantisk stjerne som resulterte i dannelsen av et svart hull og fusjonen av to binære nøytronstjerner . Men andre prosesser kan gi gamma-ray bursts: noen teoretikere sa på den tiden at fordampning av sorte hull også kan produsere en gammastråle burst som varer mindre enn 2 sekunder. I denne sammenheng har Swift- oppdraget som mål å:
Gamma-ray bursts er de kraftigste hendelsene i det kjente universet etter Big Bang . Energiene som er involvert er mye viktigere enn noe som kan reproduseres i laboratoriet. Hvert gammastrålespreng er derfor en potensiell kilde til informasjon om kjernefysisk og grunnleggende fysikk . Eksplosjonen feier gjennom det interstellare mediet med rusk som for noen når hastigheter nær lysets i vakuum. Sjokkbølgen varmer opp de omkringliggende gassene til ekstremt høye temperaturer og muligens utløser dannelsen av nye stjerner. Det er samspillet i denne sjokkbølgen og med miljøet som produserer utstrålingen av gammastrålene vi ser. Området for denne sjokkbølgen og bredden på den utstrålte gammastrålen gjenstår å spesifiseres. I denne sammenheng må Swift :
I følge noen teoretikere oppstod en liten brøkdel av gammastrålebrudd i de første stjernene i universet ( populasjon III-stjerner ). Disse stjernene kjennetegnes av massen (i gjennomsnitt 100 til 1000 ganger større enn solen vår) og deres kjemiske sammensetning (fravær av kjemiske elementer som er tyngre enn hydrogen og helium ). Gitt deres masse, må deres død generere en gammastråleutbrudd. Swift må derfor kunne kartlegge disse stjernene som ingen eksisterende teleskoper kan observere. På dette temaet er målene for Swift- oppdraget som følger:
Swift utfører en omfattende folketelling av de harde røntgenutslippene som kommer fra hele himmelen. Følsomheten til Swifts instrumenter, 20 ganger større enn eksisterende instrumenter på denne delen av det elektromagnetiske spekteret, bør tillate oppdagelsen av 400 supermassive sorte hull hvis myke røntgenutslipp for øyeblikket er maskert.
Satellitten består av en plattform som består av alle servitutter og en modul som grupperer de tre instrumentene som danner nyttelasten . Den totale massen til teleskopet er 1467 kg inkludert 834 kg vitenskapelig instrumentering.
Den plattformen av romteleskopet er levert av det amerikanske selskapet Spectrum Astro, på den tiden et datterselskap av General Dynamics , hvis virksomhet er gjenopptatt i 2016 av byggmester bæreraketter og satellitter Orbital ATK . Denne plattformen er preget av sin store manøvrerbarhet og den store presisjonen til pekingen. Plattformen er en 6-sidig struktur . De elektroniske boksene og utstyret er montert på de ytre sidene, slik at de lange rørene i den optiske delen av X- og UV-teleskoper kan settes inn. Elektrisk energi leveres av to vinger med en grad av frihet, og hver består av 3 solcellepaneler . Disse bruker GaAs / Ge trippelkryss solceller som gir totalt 2132 watt på slutten av oppdraget. Swift er stabilisert på 3 akser . Pekingen utføres ved hjelp av reaksjonshjul og er kjent med en nøyaktighet på 2,2 buesekunder. Denne enheten lar den rotere 50 ° på mindre enn 75 sekunder . Teleskopet har to metoder for å kommunisere med bakken. Den kan overføre data når som helst via konstellasjonen av geostasjonære satellitter fra NASA , TDRS med en hastighet på 2 kilobit / sekund. De detaljerte vitenskapelige dataene lagres om bord i et 32 gigabit masseminne og overføres med en hastighet på 2,25 megabit / sekund når romteleskopet svever over Malindi-stasjonen . Romteleskopet er designet for en levetid på 7 år .
Satellitten består av tre instrumenter med optiske akser som er parallelle. Når en ny gammastråleskur oppdages, brukes de i rekkefølgen av beskrivelsen nedenfor for gradvis å avgrense kildens posisjon:
Instrument | FLAGGERMUS | XRT | UVOT |
---|---|---|---|
Type | kodet maske | Wolter jeg | Ritchey-Christian |
Spektrum (energi eller bølgelengde ) | Hard røntgenstråler / myke gammastråler | Soft røntgenstråler | Ultrafiolett / synlig (170 - 650 nm) |
Synsfelt | 2 steradianer | 23,6 × 23,6 bumin | 17 × 17 bueminutter |
Vinkeloppløsning | 1 til 4 bueminutter | 3 til 5 buesekunder | 0,5 buesekund |
PSF | 17 bueminutter | 18 buesekunder ved 1,5 keV | 2,5 buesekunder ved 350 nm |
Detektortype | Kadmium-sink-tellurid | XMM Newton EPIC Charge Transfer Device |
Intensivert lastoverføringsenhet |
Antall detektorelementer | 256 moduler med 128 elementer | 600 × 600 piksler | 2048 × 2048 piksler |
Følsomhet | 2 × 10 −14 erg cm −2 s −1 (eksponeringstid på 10 000 sekunder) |
Størrelse 22,3 uten filter (1000 sekunders eksponeringstid) |
|
Andre egenskaper | Detektorareal: 5.200 cm 2 Detektorelement: 4 × 4 × 2 mm |
Effektivt område: 135 cm 2 ved 1,5 keV |
Blenderåpning på 12,7 7 filtre, størrelse > 7 |
Masse | 198,1 kg |
BAT ( Burst Alert Telescope ) er et kodet maske-teleskop . Denne optiske teknikken brukes til å skaffe et bilde av høynergiske fotonemisjoner (harde røntgenstråler, gammastråler), som en konvensjonell optisk enhet (linse, speil) ikke kan konvergere mot detektoren fordi de passerer gjennom disse optiske elementene uten å avvike. Den kodede masken er plassert over detektoren og er delvis ugjennomsiktig for de studerte fotonene. Den er gjennomboret med hull som danner et mønster som reproduseres på detektoren av fotonene som ikke blir avvist av masken. Avhengig av den horisontale forskyvningen av denne skyggen som kastes på detektorens plan, kan peiling av kilden til fotoner bestemmes. BAT har en detektor med et areal på 0,52 m 2 bestående av 32 768 kadmium-sink telluride- elementer med et areal på 4 × 4 mm .
Detektoren er plassert 1 meter bak en kodet maske. Den sistnevnte, med et areal på 2,7 m 2 , er bygget opp på 52.000 kvadratfot bly elementer av 5 x 5 mm og en tykkelse på 1 mm . Elementene i den kodede masken er festet på en struktur i komposittmateriale (bikake) 5 cm tykk. Masken, som er d-formet med kutte hjørner 2,4 meter lang og 1,2 meter bred, er festet over detektorplanet via komposittfiberstolper. Masken er 50% åpen, det vil si at 50% av overflaten består av hull. Maskemønsteret er ikke av URA-typen ( Uniformly Redundant Array ) fordi denne formen, som vanligvis begrenser påvirkningen fra bakgrunnsstøy, ikke er egnet på grunn av de spesielle egenskapene til BAT, nemlig det valgte vidvinkelfeltet (det valgte overflaten på masken er mye større enn detektorens) og detektorens plan ikke ensartet (det er hull mellom modulene som utgjør detektoren).
Diagram over BAT-instrumentet.
En av BAT-detektormodulene.
Den kodede masken til BAT monteres.
XRT ( X-Ray Telescope ) er et mykt røntgenteleskop (0,2-10 keV) som må gi posisjonen, spekteret og lysstyrken til gammastråleutbrudd og påfølgende utslipp ved å dekke forfallet av fotonstrømmer over 7 størrelsesordener . Alle gammastråleskuddene som ble observert ved bruk av BeppoSax, viser at gammatoppen systematisk følges av en røntgenemisjon som varer 6 til 8 timer, mens den optiske motstykket ser ut til å eksistere i bare 60% av tilfellene. Mens røntgenobservasjonene med BeppoSax ikke begynner før etter en 4 til 5 størrelsesorden redusert i utslippets intensitet, er det forventet at observasjonene starter med XRT i noen tilfeller mens gammastrålen sprekker seg selv. Fremdeles under utvikling. XRT bør også gjøre det mulig å finpusse posisjonen som tilbys av BAT-instrumentet ved å redusere den fra 1-4 bueminutter til 2,5 buesekunder på mindre enn 10 sekunder . I noen tilfeller er instrumentet i stand til å gi rødforskyvning (derav avstanden) fra kilden.
XRT-teleskopet er utviklet til en redusert pris gjennom bruk av komponenter utviklet for tidligere romoppdrag. Teleskopet som helhet er avledet fra JET-X-teleskopet utviklet av University of Leicester , England for det russiske romobservatoriet Spectrum X-Gamma- prosjektet forlatt på grunn av manglende finansiering og deretter redesignet for å bli Spektr-RG . Teleskopet bruker spesielt Wolter I-typen speil utviklet av Brera Astronomical Observatory . Detektoren er en ladningsoverføringsenhet fra selskapet e2v utviklet for EPIC-instrumentet til XMM-Newton- oppdraget til European Space Agency . Til slutt er elektronikken hentet fra den fra EPIC og den fra det KUBISKE instrumentet til SAC-B- satellitten .
Teleskopets struktur hviler på en sentral ringformet del av OBIF ( Optical Bench Interface Flange ) laget av aluminium som er festet på de fremre bakrørene til teleskopet med en diameter på 508 mm (ringen er plassert på 2/3 foran) så vel som speilet. Wolter I-typen speil består av 12 konsentriske nikkelskjell dekket med et gulllag med en brennvidde på 3,5 meter.
XRT integreres i Swift Space Observatory.
Wolter jeg skriver speil.
UVOT ( UltraViolet / Optical Telescope ) er et optisk teleskop som bruker et modifisert Ritchey-Chrétien- feste med et primært speil med en diameter på 30 cm og en blenderåpning på 12,7. Lyset blir omdirigert av et speil som er skrått 45 ° mot en av de to overflødige detektorene som går gjennom et 11-stillings filterhjul. Det optiske feltet er 17 lysbuer . Filterhjulet brukes til å plassere 6 filtre med et bredt spektralbånd (henholdsvis UVW2, UVM2, UVW1, U, B og V). Sensoren består av en intensivert ladningsoverføringsanordning med en definisjon på 2048 × 2048 piksler : hver piksel representerer derfor en sektor på 0,5 × 0,5 buesekund. Det gjør det mulig å observere både i synlig lys og i ultrafiolett ( 170 til 650 nanometer ). Aksen er parallell med XRT-teleskopet, som gjør det mulig å sammenligne observasjoner gjort i røntgenfeltet med kilder observert av instrumentet i det synlige spekteret. Det gjør det mulig å identifisere den optiske motstykket til gammastråleskurer og å evaluere deres avstand. Teleskopet med dets detektorer kommer direkte fra OM ( Optical Monitor ) -instrumentet til XMM-Newton-romobservatoriet til European Space Agency .
UVOT integreres i Swift space observatory.
Filterhjul.
I oktober 1999 valgte NASA to romoppdrag som en del av Explorer-programmet som samlet vitenskapelige prosjekter administrert av Goddard romflysenter : en FAME- astrometrisatellitt som senere ble forlatt på grunn av et budsjettoverskridelse og Swift som tar sikte på å studere gamma- strålebrister . Swift er et mid-cost MIDEX ( middelklasse Explorer ) Explorer-oppdrag verdt den gang til 163 millioner dollar.
Konstruksjonen av satellitten er betrodd selskapet General Dynamics . Instrumentene er produsert av forskjellige amerikanske og internasjonale laboratorier. Realiseringen av BAT-gamma-teleskopet støttes av Goddard space flight center. XRT-teleskopet produseres hovedsakelig av et team fra Pennsylvania State University med bidrag fra Italia (speilet er levert av Osservatorio Astronomico di Brera ) og England ( University of Leicester ). Endelig er utviklingen av UVOT-teleskopet betrodd University of Pennsylvania . Oppdragskontroll i fly er også ivaretatt av dette universitetet. Datainnsamlingen skjer via den parabolske antennen til Malindi, administrert av den italienske romfartsorganisasjonen . Disse behandles, distribueres og arkiveres av Goddard Space Flight Center.
Swift ble plassert i bane 20. oktober 2004 av en Delta II 7320-10C bærerakett avfyrt fra Cape Canaveral lanseringsplate . Den totale kostnaden for oppdraget er nå verdsatt til rundt 250 millioner av amerikanske dollar , inkludert bidrag fra de deltakende landene, hovedsakelig Storbritannia og Italia . De to første månedene er viet til igangkjøring og kalibrering av instrumentene. Begynnelsen er tegnet av små hendelser, men et alvorlig problem oppstår 3. desember 2004 når en storskala solbluss setter romfartøyet i overlevelsesmodus . Strømforsyningen til det termoelektriske kjølesystemet til XRT-teleskopdetektoren er permanent frakoblet. I løpet av de neste ukene ble det utviklet nye instrumentpekepunkter for å tillate at radiatoren passivt senker detektorens temperatur under −70 ° C som er nødvendig for drift. Instrumentene ble gradvis operative i løpet av januar 2005. 5. april 2005 observerte romobservatoriet, som allerede oppdaget 24 gammastrålesprengninger, for første gang ved bruk av UVOT-instrumentet som en optisk motstykke . Målingen av rødforskyvning gjør det mulig å estimere avstanden fra kilden til gammastrålesprengingen til 9 milliarder lysår.
I 2016 er alle Swift- instrumenter i drift, og ytelsen deres forblir uendret til tross for aldring som gradvis påvirker elektronikken. Oppdraget er rangert på toppen av NASA-oppdragene i sin kategori for oppnådde resultater. Oppdraget, som i utgangspunktet skulle vare i to år, utvides med jevne mellomrom til en årlig kostnad som har vært mellom 5 og 6 millioner amerikanske dollar de siste årene. Romteleskopet gjennomgår en jevnlig reduksjon av sin bane på grunn av den gjenværende atmosfæren, men den må ikke komme inn i atmosfæren før 2025. I 2016 er Swift fortsatt det eneste oppdraget ment for observasjoner av gammastrålebrister. Imidlertid, 13 år etter lanseringen, er målene tilpasset. Romteleskopets observasjonstid, som er 46% viet søket etter gammastrålebrudd i 2005, steg til 17% i 2014, mens punktobservasjoner (ToO, Target of Opportunity og GI, Guest Investigator ) etterspørselen etter astronomer nå representerer 65% mot 19% i utgangspunktet. Romteleskopet må spille en viktig rolle innen gravitasjonsbølger ved å følge Jomfruen og LIGO- observatoriene i prosessen med å øke kraften (LIGO lyktes i sin første observasjon i 2016 tilsvarende fusjonen av to sorte hull). Swift , takket være sin smidighet, vil også kunne utnytte funnene gjort av nye vidvinklede jordbaserte instrumenter som Zwicky Transient Facility (ZTF) og Asteroid Terrestrial-impact Last Alert System (ATLAS) under utvikling i 2016. Endelig med Etter hvert som mer kraftige jordspektrografer har dukket opp de siste årene, må romteleskopet gi kandidater for observasjon av karakteristikkene (sammensetning, struktur, nukleosyntese ) til de første galaksene ( redshift ).
Swift sirkulerer i en lav bane rundt jorden 584 × 601 km over havet, som den dekker på 90 minutter. Observasjonsteknikken består i å holde instrumentene pekte mot en del av himmelen forhåndsprogrammert av det vitenskapelige teamet, som for eksempel tilsvarer overvåking av røntgen og synlige strålingsutslipp etter utseendet til en gammastrålebrist. Satellitten sirkulerer med en banehelling på 20,6 ° som gjør det mulig å redusere tiden som brukes i den sør-atlantiske magnetiske anomalien, noe som kan forringe detektorenes ytelse. Instrumenter kan ikke pekes innenfor 28 ° fra jordens lem , 46 ° fra solens lem og 23 ° fra månens lem. Gitt disse begrensningene, kan et gitt mål bare observeres kontinuerlig i 20 til 30 minutter . I løpet av en gitt bane observeres flere forhåndsprogrammerte mål suksessivt. Planlagte observasjoner settes på vent hvis en ny gammastråleutbrudd blir identifisert.
Utseendet til en ny gammastrålesprengning oppdages av vidvinkel-BAT-gammateleskopet med kodet maske. For å formelt identifisere et gammastrålespreng, blir dataene som samles inn av BAT analysert av et program utviklet delvis som en del av HETE- romoppdraget . Dette søker etter unormale variasjoner i antall gammafotoner ved å eliminere kilder til falske alarmer, som partikler fra magnetosfæren , samt variable astronomiske kilder som allerede er referert til i en katalog lagret om bord på satellitten. Som et biprodukt fra denne overvåkingen overfører Swift hvert 5. minutt et kart over de allerede refererte variable harde røntgenkildene som er samplet i 80 frekvensbånd. Utbruddet av en gammastråleskift dateres med en nøyaktighet på 0,1 sekund. Denne deteksjonen utløser en automatisk sekvens av operasjoner.
Noen titalls sekunder etter oppdagelsen av en gammastråle fra dataene til BAT-instrumentet, pekes røntgenstrålen og optiske / ultrafiolette UVOT-teleskoper mot kilden for å samle fenomenets spektrum. I mellomtiden sender Swift et varsel via telekommunikasjonssatellitter geostasjonære TDRS fra NASA til Polygon test missil White Sands . Informasjonen er sentralisert i GCN ( Gamma-ray burst Coordinates Network ) som er ansvarlig for å spre den til jordobservatorier for å tillate mer grundige observasjoner fra det astronomiske samfunnet. Swift fortsetter å observere overraskelsen i flere titalls minutter. Når den passerer over Malindi Station , flydd over 9 til 12 ganger om dagen, overføres all data som er samlet inn av instrumentene til Space Telescope's Mission Control Center, som er vert for Pennsylvania State University . De behandles deretter av det dedikerte datasenteret SDC ( Swift Data Center ). De første resultatene blir lagt ut online 3 timer etter arrangementet. Arkiveringen av vitenskapelige data utføres i gjennomsnitt en uke senere i flere virksomheter: HEASARC for NASA, ISAC i Italia og UKDC i Storbritannia .
Forsinkelse siden deteksjon | Drift om bord på satellitten | Bakken drift |
---|---|---|
0 s | Gamma-ray burst-deteksjon av BAT-instrumentet | |
10-tallet | Begynnelsen av satellittens rotasjon for å peke instrumentene mot kilden | |
20-tallet | Lokalisering av skuddet med BAT sendt av GCN | |
90-tallet | XRT- og UVOT-instrumenter peker mot kilden | |
95 s | Første bilde hentet av XRT Lokalisering av kilden ved XRT |
BAT-lyskurve diffundert av GCN Localization of the burst av XRT diffundert av GCN |
120 s | ||
250 s | Slutt på optisk kartlegging med UVOT | |
300 s | Optisk kartografi formidlet av GCN | |
1200 s | Slutten av spektrumsamlingen av XRT | |
1212 s | Spredte XRT-spektre | |
7200 s | Slutt på observasjonssekvensen med UVOT-teleskopet | |
Omtrent 10 000 s | Fly over Malindi landstasjon | Henting av innsamlede data Eventuelt sending av et nytt observasjonsprogram |
Nesten hvert år fører dataene som samles inn av romobservatoriet til oppdagelsen av et nytt astronomisk fenomen. Observatoriet oppdager rundt hundre nye gammastråler hvert år.
Inventar og typologi av gammastrålerIngen stjerne av befolkning III (hypotetisk kategori av stjerner som dukket opp umiddelbart etter Big Bang) kunne identifiseres av Swift, men romteleskopet gjør det mulig å oppdage takket være GRB 090423 sprengte det fjerneste himmelobjektet som noen gang er identifisert på tidspunktet for hans oppdagelse. Dette er 13.035 milliarder lysår fra Jorden ( rødforskyvning på 8,2) eller 630 millioner år etter Big Bang , eller 230 millioner år etter starten av stjernedannelse (slutten av mørke middelalder ).
Inventar over forbigående fenomenerSwift er romfartøyet som har vist størst effektivitet i å identifisere forbigående fenomener:
På slutten av 2014 forble Swift det mest effektive operasjonelle romobservatoriet for å oppdage forbigående astronomiske fenomener takket være den brede spektraldekningen til instrumentene, presisjonen til kildeplasseringen av dem og dens evne til raskt å tilpasse observasjonsprogrammet. Med tanke på helsetilstanden har Swift muligheten til å fortsette sine undersøkelser frem til midten av 2020-tallet. Swift mangler imidlertid visse evner til å oppfylle de vitenskapelige målene som nå er knyttet til gammastråleutbrudd:
Den NASA gjennomfører flere utkast på etterfølg Swift tar hensyn til disse nye målene, men ingen har fått støtte:
Den europeiske romfartsorganisasjonen foreslår på sin side to prosjekter relatert til gammastråleskader for M4-oppdraget (lansering i 2025) av det vitenskapelige programmet Cosmic Vision - THESEUS og LOFT - men ingen har bestått forstadiet. Valg som tar sted i 2015. ATHENA- oppdraget (X-teleskop planlagt til lansering i 2031) skulle indirekte bidra til studiet av de eldste gammastrålesprengningene.
Den Frankrike og Kina utvikle sammen SVOM , et romfartøy mindre at det samme konsept som Swift med lavere ytelse (f.eks nøyaktighet av gamma-stilling er 16 bueminutter i stedet for fire), men med tilleggsfunksjoner. SVOM, som skal operere rundt 2021, har, i likhet med Swift , et vidvinkel gammateleskop (ECLAIR), et røntgenteleskop ved hjelp av ny teknologi (mikrokanaler) og et teleskop som opererer i synlig lys. Den inneholder en observasjonskapasitet i nær infrarød (men ultrafiolett er ekskludert fra det observerte spekteret), overvåking av hard gammastråling ( 500 keV ) på et utvidet optisk felt takket være bæring av et fjerde instrument.