Early Universe Gamma Ray Burst Detection
Pedro Russo – Faculdade de Ciências da Universidade do Porto – Portugal
pedro@multimeios.pt
2004
Scientific Rationale
• A primeira geração de estrelas foi muito importante para
definir as condições iniciais do Universo:
– Sintese dos elementos pesados
– Reionização do Universo
• Para percebermos com detalhe o Universo inicial
necessitamos de perceber a primeira geração de estrelas.
Gamma Ray Bursts
GRBs são os objectos mais brilhantes no Universo.
Detectados a redshifts de 20 ou mais!
Os Gamma Rays Burst são a prova da “morte” das estrelas.
O que se sabe
GRBs são emitidos pelo colapso de
estrelas massivas e com grande
rotação (hypernovae).
Espera-se que as primeiras estrelas
gerem GRBs com um mecanismo
semelhante.
Objectivos da Missão
• Objectivo primário
Detecção de Gamma Rays Burst com um
redshift extremamente alto.
• Secondary objectives
○ Propriedades da matéria intergaláctic.
○ Flashs X-ray de proto-estrelas.
○ Estudo de objectos extragalácticos.
Objectivos da Missão
Equipamento necessário para o objectivo primário
•
Wide Field Camera (Posição)
•
X-Ray (Posição, Espectroscopia)
•
Infrared (Espectroscopia)
Design da Missão
• Payload
– Observações
– Detectores
• Wide Field Camera
• Pointing X-Ray Telescópio
• Near Infrared Telescópio
• Arquitectura de Missão
–
–
–
–
Análise de Missão
Engenharia Espacial
Telemetria
Controlo
•
Payload
–
–
Observações
Detectores
GRBs conhecidos
Emissão: 0.1 –100 s com um pico
em ~ 150 keV
Emissão afterglow nos
Raios-X e no óptico.
•
Payload
–
–
Observações
Detectores
High-z GRBs
Lamb & Reichart 2000
•
•
•
Pico de emissão desviada para gamas de energia
nos Raios-X
Linhas UV desviadas para o infravermelho
(especificamente Ly alpha)
Dilatação do tempo
•
Payload
–
–
Observações
Detectores
Detectores
• 3 tipos de detectores:
1. Wide Field Cameras (WFC)
2. Telescópio Raios-X (XPT)
3. Telescópio Infravermelho (IT)
•
Payload
–
–
Observações
Detectores
Wide Field Camera
• 4 wide field cameras:
Tamanho
Mascára
Detector
cm2
90 x 90
70 x 70
Altura
167 cm
Gama
espectral
keV
0.1 - 15
15 - 100
FOV
4 x FOV
30° x 30°
60° x 60°
Coded Mask
Imaging device
Tamanho: 90 x 90 cm2
Material: Tungsten
IBIS mask
DEPFET type: Soft X-Ray detector
CdTe type: Hard X-Ray detector
•
Payload
–
–
Observações
Detectores
Telescópios apontador Raios-X
Alta Resolução Espectral + Espectroscopia
•Espelho do telescópio:
• Silicon pore optics
• r = 28 cm, f = 5.5 m
• Area Efectiva: 1400 cm2 @ 1.5 keV
• FOV: 10 arcmin
• Resolução Angular: 5 arcsec ( 2 arcsec)
• Detector:
• DEPFET
• Tamanho: 3.2 x 3.2 cm2 [640 x 640 pixels]
• Sem arrefecimento activo
Estrutura óptica porosa
•
Payload
–
–
Observações
Detectoes
Near Infravermelho
Telescópio NIR:
•
•
•
Diametro: 0.85 m
Peso: 50 kg
Altura: 1.5 m
Camera NIR :
•
•
•
•
•
Ritchey-Chrétien design
FOV: 10 x 10 arcmin
Sensitivity for R ~ 100:
26.8 mJy@10σ
Resolução angular: ~0.3 arcsec
Rockwell Scientific HgCdTe
2048 x 2048 pixels
Arrefecimento passivo
•
Arquitectura da Missão
–
–
–
–
Análise da Missão
Esgenharia Espacial
Telemetria
Controlo
Lançador
Soyuz-Fregat
LLaçamento: spaceport em Korou
Custo: ~ 45M€
Massa total: 1500 kg
Dimensões:
3.5m em diâmetro, 7m em altura
•
Arquitectura da Missão
–
–
–
–
Análise da Missão
Esgenharia Espacial
Telemetria
Controlo
Órbita / Propulsão
Órbita:
• Em torno de L2
• Excluindo observações do plano
galáctico.
Sistema propulsor:
• Corrigir a tragectória até L2
• Manter em torno de L2
• Substituir (se necessário) as
rodas de momento.
http://wso.vilspa.esa.es/Conferences/Madrid_2003/Launchers_Russian_capabilities.pdf
• Propelante: hydrazine
•
Arquitectura da Missão
–
–
–
–
Análise da Missão
Esgenharia Espacial
Telemetria
Controlo
3m
Acomodação
2m
SUN
3.24 m
Solar arrays
Wide field of view cameras
Infrared telescope
X-Ray telescope
Star tracker
Service Module
•
Arquitectura da Missão
–
–
–
–
Análise da Missão
Esgenharia Espacial
Telemetria
Controlo
Estimativa de Massa
Massa payload : 550 kg
Massa do telescópio X-Red: 776 kg
Massa do combustível: 50 kg
Massa Total: 1376 kg
Nave espacial leve
Pequeno lançador
Missão barata
Ciência muito excitante a um preço baixo!
•
Arquitectura da Missão
–
–
–
–
Análise da Missão
Engenharia Espacial
Telemetria
Controlo
Potência
•
Painéis Solares: Highly efficient
Multijunction GaInP/GaAs
•
Eficiência: 19 %
•
Area: 12 m²
•
Potência (avg.): 700 W
•
Bateria para picos de consumo e
backup.
•
Arquitectura da Missão
–
–
–
–
Análise da Missão
Engenharia Espacial
Telemetria
Controlo
Controlo Térmico
X-Ray (0.01 m²)
Payload Module
IR (2 m²)
Sum = 9 m²
Service Module
Temperatura dos instrumentos:
• IR:
• Hard X:
~50K
~253K
Passive cooling by black painting
•
Arquitectura da Missão
–
–
–
–
Análise da Missão
Engenharia Espacial
Telemetria
Controlo
Telemetria: Overall Data Rate
•Background Raios-X difuso
Grandes quantidades de dados do WFC
Cálculo detalhado para 1 WFC:
Número de contagens esperados: 7600 fotões/s
Data / photon: X-Ray energy + (x,y) position
30 bits/photon
Para 1 WFC: 7600 x 30 = 225 kbits/s
• Todos os
instrumentos:
4 WFC: 900 kbits/s
Telescópio X-Ray: 100 kbits/s
Telescópio IR: 2 kbits/s
Housekeeping: 2kbits/s
Total data rate: 1 Mbit/s
•
Arquitectura da Missão
–
–
–
–
Análise da Missão
Engenharia Espacial
Telemetria
Controlo
Telemetria: Comunicações
• Transmissão contínua de dados atrave´s de uma antena de grande ganho
• Porcessamento de dados a quasi tempo real no solo [15 s delay]
• Antena de ganho médio para transmissões menores ou situações de emergência.
• Capacidade de armazenamento a bordo: Alguns Gbits
• Cenários realistico para 10 anos [assumindo avanços tecnológicos]
•
Arquitectura da Missão
–
–
–
–
Análise da Missão
Engenharia Espacial
Telemetria
Controlo
Controlo de movimento
4 rodas de reacção:
• 3 ortogonais [necessaria para 3D pointing]
• 1 num plano inclinado de 45º em relação às
outras 3 [para o caso de falha]
mas... Porque rodas de reacção?
• Monopropellant trusters requerem
combustivel extra e têm menos precisão no
pointing
• Controlo da posição angular e de rotação.
example of reaction wheel
Detalhes Técnicos :
• Velocidade angular: 1° em 2 s
• Peso: 4 x 7 kg = 28 kg
Todo o campo de visão em apenas 1m!
Estratégia Observacional
position ~ 5"
spectrum
WFC
pointing
~ 60 s
XPT
every 1ms
position ~ 1"
spectrum
evtl. repointing
IR
spectrum
~ 100s
follow-up observations
Ground station
Earth telescopes
e.g. VLT, ...
Porque X-RED?
•
Areas onde X-RED é superior a
SWIFT:
– Detecção em Raios-X abaixo dos 10
keV – importante para detecção de
grandes desvios para o vermelho.
– Mesma área do céu, mas menor
background.
– Telescópio IR.
– Observações contínuas
emContinous observations from L2
vs.
Early Universe Gamma Ray Burst Detection
Conclusões
•
High redshift GRBs (z = 10-30) são detectados com
•
Espectroscopia IR permite medir o redshift dos GRBs
•
Em 3 anos de missão é esperado detectar cerca de 10 GRBs com z>10
vai abrir janelas para compreender a formação
da primeira geração de estrelas e a evolução do Universo
primordial.
Ciência
Payload
Missão
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Detection of extremely high redshift gamma ray bursts