Comptonská gama observatoř

Comptonská gama observatoř Popis tohoto obrázku, také komentován níže Umělecký dojem z Compton Gamma-Ray Observatory. Všeobecné údaje
Organizace NASA
Program Velké observatoře
Pole Studie gama záření
Ostatní jména CGRO
Zahájení 5. dubna 1991 ve 14:23 UT
Spouštěč Atlantis
Konec mise 4. června 2000
Identifikátor COSPAR 1991-027B
Stránky cossc.gsfc.nasa.gov
Technická charakteristika
Mše při startu 16 329 kg
Obíhat
Obíhat Nízká oběžná dráha Země
Periapsis 362 km
Apoapsis 457 km
Doba 90 minut
Sklon 28,5 °
Dalekohled
Typ Více detektorů gama scintilace
Vlnová délka Gama paprsky
Hlavní nástroje
NETOPÝR 8 detektorů gama 20 keV-1 MeV
OSSE 100 keV-10 MeV detektor
COMPTEL Detektor 1-30 MeV
EGRET 20 MeV-30 GeV detektor

Comptonova gama observatoř (CGRO) je prostor observatoř z y záření vyvinutých NASA . Je to jeden ze čtyř vesmírných teleskopů z Velkého programu observatoří vyvinutý americkou kosmickou agenturou v roce 1980 vypořádat s hlavními otázkami v oblasti astronomie a astrofyziky . Je umístěn na oběžnou dráhu raketoplánem Atlantis (mise STS-37 ),5. dubna 1991a hmotnost téměř 17 tun. V době svého startu to byl nejtěžší astrofyzikální satelit, jaký byl kdy vypuštěn. Comptonská gama observatoř se svými čtyřmi přístroji pokrývajícími velmi široké energetické spektrum v rozmezí od 20  keV do 30 Gev je první gama observatoří, která pozoruje celou oblohu a poskytuje údaje bezkonkurenční přesnosti. Comptonská gama observatoř produkuje řadu výsledků, které legitimizují příspěvky gama astronomie. Zejména provádí sčítání záblesků gama záření pomocí nástroje BATSE, což umožňuje demonstrovat extragalaktický původ záblesků gama záření . Po 9 letech provozu byla Comptonova gama observatoř, jejíž provoz se zhoršil po ztrátě gyroskopu, záměrně zničena při svém opětovném vstupu do atmosféry 4. června 2000.

Historický

V polovině 70. let 20. století vyvinula americká vesmírná agentura NASA tři vesmírné observatoře - HEAO-1 (zahájené v roce 1977), HEAO-2 (1978) a HEAO-3 (1979) - věnované pozorování rentgenových paprsků. A gama . V roce 1977 oznámila NASA v rámci programu Velké observatoře vývoj observatoře, která se zcela věnuje gama záření . To zahrnuje 4 Hubblovy mise (zahájené v roce 1990) pro pozorování ve viditelném spektru a v blízkosti ultrafialového záření , Chandra (1999) pro měkké rentgenové paprsky , Spitzer pro infračervené záření (2003) a Gamma-Ray Observatory pro záření gama a tvrdé rentgenové paprsky . Vývoj mise Gamma-Ray Observatory je svěřen Goddardovu vesmírnému letovému centru , zařízení NASA, které je odpovědné za astrofyzikální mise . Vesmírná observatoř byla vyvinuta s využitím technických průlomů 80. let v oblasti detektorů.

Po 14 letech vývoje byla Compton Gamma-Ray Observatory umístěna na oběžnou dráhu raketoplánem Atlantis (mise STS-37 ) dne5. dubna 1991. Pro prodloužení životnosti observatoře Gamma-Ray se raketoplán výjimečně vyšplhá do pracovní nadmořské výšky vesmírné observatoře (450  km s orbitálním sklonem 28,5 °). Hvězdárna byla vypuštěna třetího dne mise, ale dva astronauti museli provést vesmírnou procházku, aby odemkli anténu s velkým ziskem, která se odmítla rozmístit. Po svém spuštění byla vesmírná observatoř pokřtěna observatoří Compton Gamma Ray Observatory na počest Arthura Comptona , nositele Nobelovy ceny za fyziku za jeho práci na paprskech gama. Mise by měla trvat dva roky s možným prodloužením o 1 rok. Nástroje konečně fungují 9 let.

Jakmile je vypuštěn, NASA rozhodne, že satelit uskuteční řízený atmosférický reentry na konci své životnosti, aby se předešlo jakémukoli riziku, protože vzhledem k jeho velikosti (16 tun) se některé části satelitu mohou dostat na zem. V prosinci 1999 se rozpadl jeden ze tří gyroskopů satelitu a inženýři NASA se rozhodli spustit atmosférický reentry bez čekání na další poruchu. Na konci května byly motory Compton Gamma-Ray Observatory vystřeleny čtyřikrát, aby se snížila jeho oběžná dráha do výšky 148  km . Družice provedla řízený opětovný vstup do atmosféry 4. června 2000 a její trosky se ponořily do Tichého oceánu asi 4000  km jihovýchodně od Havaje .

Cíle mise

Cíle mise jsou definovány na základě doporučení Výboru pro astronomii a kosmickou astrofyziku Americké národní akademie věd :

Technické vlastnosti observatoře

Observatoř Compton Gamma-Ray byla v té době největší vědeckou družicí, která kdy byla vypuštěna, s hmotností přes 16 tun. To se dělí na 6 tun pro užitečné zatížení , 8 tun pro konstrukci a 1,9 tuny pohonných hmot pro pohon. Tělo satelitu zaujímá objem 7,7 x 5,5 x 4,6  m . Jeho solární panely, které byly jednou rozmístěny, mu dávají rozpětí křídel 21 metrů. Nástroje jsou umístěny na plošině tak, aby do jejich zorného pole nevnikla žádná překážka. Ke startu zabírá observatoř Compton Gamma-Ray asi polovinu nákladního prostoru amerického raketoplánu . Pohonný systém se skládá ze 4 raketových motorů, které mají jednotkový tah 440 newtonů používaných pro korekci oběžné dráhy a 8 trysek 22 newtonů používaných pro řízení orientace. Všechny tyto motory spalují hydrazin uložený ve čtyřech nádržích. Těchto 16 tun by mělo umožnit observatoři zůstat na oběžné dráze po dobu 6 až 10 let. Hlavní zdroj spotřeby souvisí s degradací oběžné dráhy v důsledku odporu generovaného zbytkovou oběžnou dráhou.

Družice je stabilizována na 3 osách a přístroje jsou namířeny s přesností na 0,5 °. Orientace a pohyby observatoře Compton Gamma-Ray jsou určovány pomocí 3 hvězdicových zaměřovačů s pevnou hlavou, setrvačné jednotky obsahující 4 gyroskopy a hrubé a jemné sluneční kolektory . Pro změnu své orientace má vesmírná observatoř 4 reakční kola a jako poslední možnost (nasycení kola) pohonný systém. V normálním provozním režimu udržuje satelit namířené nástroje na zvolený cíl. Telekomunikační systém je založen na systému Solar Maximum Mission a satelitech Landsat 4 a 5 . Toto pracuje v pásmu S a zahrnuje parabolickou anténu s velkým ziskem o průměru 1,52 metru a dvě antény s nízkým ziskem. Vědecká data jsou přenášena rychlostí 256 až 512 kilobitů za sekundu prostřednictvím reléových satelitů NASA TDRS nebo 32 kilobitů / s přímo do pozemních stanic. Objednávky jsou přijímány rychlostí 1 nebo 125 kilobitů / s. Elektrická energie je dodávána solárními panely složenými do akordeonu při startu a rozmístěnými na oběžné dráze. Ty o celkové ploše 37 m² produkují na začátku mise 4 300 wattů, zatímco observatoř potřebuje 2 000 wattů. Energie je uložena v 6 nikl-kadmiových akumulátorech s jednotkovou kapacitou 50 ampérhodin .

Vědecké nástroje

Comptonská gama observatoř nese čtyři přístroje, které poprvé pokrývají celé vysokoenergetické elektromagnetické spektrum (od 20  keV do 30  GeV ), tj. Více než 6 řádů frekvence , vlnové délky nebo energie . Nástroje jsou popsány níže v rostoucím pořadí energie.

NETOPÝR

BATSE ( Burst and Transient Source Experiment ), pozoruje nízkoenergetické gama záření ( 20  keV - 1  MeV ) a krátké trvání, gama záblesky . Přístroj se skládá z 8 scintilačních detektorů , z nichž každý je umístěn v rohu satelitu (sám má přibližně tvar rovnoběžnostěnu ). Tato konfigurace umožňuje satelitu nepřetržitě skenovat celou viditelnou oblohu (s výjimkou překážek Země). Zorné pole detektorů se překrývá, což umožňuje viditelnost záblesku gama záření současně pomocí 4 detektorů. Jelikož účinek hraje na intenzitu signálu, toto uspořádání umožňuje určit polohu zdroje s přesností 3 ° pro nejintenzivnější záblesky gama záření. Každý detektor používá dvě scintilátory na bázi krystalů z jodidu sodného převést gama záření pozoruhodné světlo viditelné . K analýze vyprodukovaného světla se používá fotonásobič . Směr příchodu paprsků gama se určuje porovnáním časů příchodu paprsků gama na různé detektory (tedy výhoda jejich udržení co nejdále od sebe umístěním v rozích satelitu).

Každý z detektorů obsahuje dva scintilátory. Velký LAD ( Large Area Detector ) (B v diagramu) je deska o průměru 51 cm a tloušťce 1,3 cm. Je optimalizován pro detekci krátkých událostí a událostí s nízkou intenzitou s důrazem na jeho citlivost a měření směru příjezdu. Tři fotonásobiče ( C v diagramu ) zesilují generované světelné záření. Plastový scintilátor umístěný před LAD ( A ve schématu ) se používá jako systém proti koincidenci k eliminaci šumu pozadí generovaného nabitými částicemi.

SD ( Spectroscopy Detector ) je optimalizován pro události zahrnující větší počet fotonů, aby bylo možné provádět spektroskopická měření . Malá velikost ( D v diagramu ) umožňuje měřit širší energetické spektrum s lepším rozlišením. Pro detekci záblesku gama záření integrovaný software analyzuje počet fotonů produkovaných každým z 8 detektorů v různých časových měřítcích (64 ms, 256 ms a 1024 ms) a porovnává je se šumem pozadí.

OSSE

OSSE ( Oriented Scintillation Spectrometer Experiment ), vyvinutý Naval Research Laboratory, detekuje paprsky gama, jejichž energie je mezi 100  keV a 10  MeV . Zahrnuje čtyři foswichové detektory (sendvičové scintilátory NaI (Ti)) a CsI (Na)). Individuální orientaci každého detektoru lze změnit v rovině. Tato funkce se používá na jedné straně k měření hluku pozadí (to se vyhodnocuje odstraněním nástroje z jeho cíle na 2 minuty) na druhé straně k udržení nástroje namířeného na daný cíl navzdory změně orientace vyvolané pohybem satelitu na jeho oběžné dráze. Detektor o průměru 33 cm se skládá z krystalu NaI (Ti) o tloušťce 10,2 cm opticky spojeného s krystalem CsI (Na) o tloušťce 7,6 cm. Generované fotony jsou zesíleny sedmi fotonásobiči s průměrem 8,9 cm, které dosahují spektrálního rozlišení 8% při 0,661 MeV. Wolframové slitiny kolimátor omezuje zorné pole do obdélníkového okna 3,8 x 11,4 ° v celém energetickém spektru. Otvor každého foswichového detektoru je zakryt detektorem nabitých částic (CPD), který se skládá z plastového scintilátoru o šířce 55,8 cm a tloušťce 6 mm spojeného se 4 trubicemi fotonásobiče o délce 5,1 cm. Průměr, který umožňuje odmítnout detekci kvůli pozadí hluk. Kolimátor a foswichský detektor jsou zapouzdřeny v prstencovém pouzdru tvořeném scintilátorem vyrobeným z krystalu NaI (Ti) o tloušťce 8,5 cm a délce 34,9 cm, který také přispívá k antikoincidenčnímu štítu.

COMPTEL

COMPTEL ( Imaging Compton Telescope ), vyvinutý institutem Max-Planck Institute, sleduje gama záření vyzařované energií mezi 1-30 MeV. Může určit úhel příchodu s přesností na jeden stupeň a energii fotonů s vysokou energií s přesností na 5%. Jeho detektory umožňují rekonstruovat gama obraz části oblohy. COMPTEL obsahuje dvě řady detektorů vzdálených 1,5 metru, které jsou postupně zasaženy gama paprsky. Horní pole detektorů se skládá z kapalného scintilátoru a spodní detektor krystalů jodidu sodného .

EGRET

EGRET ( Energetic Gamma Ray Experiment Telescope ), měří zdroje gama při nejvyšších energiích ( 20  MeV až 10  GeV ) lokalizací zdroje s přesností na zlomek stupně a vyhodnocením energie s přesností na 15%. EGRET je výsledkem spolupráce mezi Goddardovým vesmírným letovým centrem , Max-Planckovým institutem a Stanfordskou univerzitou . Detektor částic je zapalovací komora , která detekuje produkci elektron - pozitron pár , kdy gama záření prochází plyn, který ji naplní. Kalorimetr s použitím Nal (Ti) scintilátoru umístěn v komoře umožňuje energie paprsku, jež je s dobrou přesností. Přístroj je uzavřen v antikoincidenční kopuli, která vylučuje nabité částice z okolního hluku. Původ gama paprsku určují dvě vrstvy 16 scintilátorů doby letu. Druhá jiskrová komora umístěná mezi dvěma vrstvami scintilátorů umožňuje sledovat trajektorii elektronu a poskytuje další informace, zejména o energii částice. Energii paprsku gama do značné míry určuje scintilátor čtvercového tvaru (76 x 76 cm) vyrobený z krystalů NaI (Ti) a umístěný pod scintilátory doby letu.

Výsledek

Snímky pořízené observatoří Compton Gamma-Ray Observatory

Nástupci

V kosmickém sektoru jsou satelity družice Swift vypuštěné v roce 2004 a kosmický dalekohled Fermi Gamma-ray (GLAST) vypuštěný v roce 2008 nástupci observatoře Compton Gamma-Ray . Na zemi představuje Vysokoenergetický stereoskopický systém (HESS) první vhodný dalekohled (schopný produkovat obrazy astrofyzikálních zdrojů díky dostatečně vysokému úhlovému rozlišení ), pracující v tomto rozsahu vlnových délek.

Poznámky a odkazy

Poznámky

  1. (in) „  STS-37 (39)  “ , na Kennedyho vesmírném středisku (NASA) , NASA (přístup 29. prosince 2016 )
  2. (in) „  COMPTON GAMMA RAY OBSERVATORY SAFELY SA BEZPEČNĚ VRÁCÍ NA ZEM  “ , vesmírné Goddardovo letové centrum ,4. června 2000
  3. Observatoř gama záření (GRO) Prelaunch Mission Operations Report , str.  6
  4. Observatoř gama záření (GRO) Prelaunch Mission Operations Report , str.  26
  5. Observatoř gama záření (GRO) Prelaunch Mission Operations Report , str.  29-31
  6. Observatoř gama záření (GRO) Prelaunch Mission Operations Report , str.  31-33
  7. Comptonská observatoř gama paprsku: Poučení z pohonu , str.  12
  8. Observatoř gama záření (GRO) Prelaunch Mission Operations Report , str.  33
  9. (in) „  The BATSE Instrument  “ , vesmírné Goddardovo letové středisko (zpřístupněno 10. března 2014 )
  10. (in) „  Description of the OSSEs Instrument  “ , space Goddard Flight Center (zpřístupněno 10. března 2014 )
  11. (in) „  Description of the COMPTEL Instrument  “ , space Goddard Flight Center (zpřístupněno 10. března 2014 )
  12. (in) „  Úvod do EGRET EGRET Data Products a EGRET Data Analysis  “ , vesmírné Goddardovo letové centrum (přístup 10. března 2014 )
  13. (en) „  Astronomie gama záření v éře Comptonu  “ , Goddardovo vesmírné letové centrum ,26.dubna 2008, str.  2

Bibliografie

O záblescích gama záření:

Podívejte se také

Související články

externí odkazy