Early Universe Gamma Ray Burst Detection Pedro Russo – Faculdade de Ciências da Universidade do Porto – Portugal [email protected] 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