[論文レビュー] Development of a micro-satellite TSUBAME for X-ray polarimetry of GRBs

S. Kurita, H. Ohuchi+16 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2015

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、X線コムプトン偏光計（HXCP）と広視野バーストモニタ（WBM）を用いてガンマ線バースト（GRB）のX線偏光測定を目的としたTsubameマイクロサティライトの開発および軌道上運用について述べている。地上試験では68.5%のモodulation因子を達成し、X線偏光測定の能力を裏付けたが、無線通信システムの故障により運用が3.5か月遅延し、X線センサーの起動は、長期間にわたる地上コマンド計画を経て2015年2月に実施された。

ABSTRACT

TSUBAME is a micro-satellite that the students of Tokyo Institute of Technology took the lead to develop for measuring hard X-ray polarization of Gamma-Ray Bursts(GRBs) in order to reveal the nature of the central engine of GRBs. TSUBAME has two instruments: Wide-field Burst Monitor (WBM) and Hard X-ray Compton Polarimeter (HXCP). We aim to start observing with HXCP in 15 seconds by pointing the spacecraft using Control Moment Gyro. In August 2014, we assembled TSUBAME and performed an integration test during ~2 weeks.TSUBAME by communication tests with Cute-1.7+APDII in orbit. On Nov 6 2014, TSUBAME was launched from Russia and it was put into Sun-synchronous orbit at 500 km above the ground. However, serious trouble occurred to the ham radio equipment. Therefore we could not start up the X-ray sensors until Feb 10 2015. In this paper, we report the system of TSUBAME and the progress after the launch.

研究の動機と目的

• GRB中心エンジンの物理的メカニズムをX線偏光測定によって解明すること。
• 迅速なGRBトリガーに応じて対応可能な低コストで学生主導のマイクロサティライトミッションを実現すること。
• 小型サティライトにコムプトン偏光計を用いることで、高エネルギー天文学の実現可能性を示すこと。
• 制御モーメントジャイロスコープを用いてGRB検出後15秒以内に3軸姿勢制御を実現すること。
• 南大西洋帯域異常（SAA）の放射線環境や明るいX線源による誤トリガーといった運用課題を克服すること。

提案手法

• HXCPは8×8のプラスチックシンチレーション検出器と28個のCsIシンチレーション検出器を、MAPMTおよびAPDを用いて組み合わせ、コムプトン散乱の非対称性を検出し、X線偏光情報が符号化された。
• WBMはサティライトの外側面に5つのX線検出器を配置し、相対的な計数率差を比較することでGRBを検出し、5°の精度で方向を推定する。
• 搭載CPUは背景減算アルゴリズムを用いる：$ C_{\text{Sig}} = C_{\text{FG}} - \frac{T_{\text{FG}}}{T_{\text{BG}}} C_{\text{BG}} $、有意性は$ s = C_{\text{Sig}} / \sqrt{C_{\text{BG}}} $として定義され、GRB候補をトリガーする。
• サティライトは制御モーメントジャイロスコープを用いて高速な3軸姿勢制御を実現し、GRB位置に15秒以内に再指向可能である。
• SAAおよび明るい源回避は、GPSベースのSAAマップ比較、SAAトリガーパターン検出、事前にアップリンクされたコマンドシーケンスにより実現され、WBMトリガーを無効化する。
• 地上アップリンク時の誤りを低減するため、コマンドタイミングの視覚的検証が可能なカスタムコマンド検証ツール「TSUBAMEのdp10」が開発された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 学生主導のマイクロサティライトミッションは、コムプトン偏光計を用いてX線偏光測定を実施する上で、GRBに迅速に応答できるか？
• RQ2 制御されたシンクロトロンビーム条件下で、HXCP機器の偏光検出性能はいかほどか？
• RQ3 低コストマイクロサティライトシステムは、背景変動や既知の明るい源とGRBトリガーをどれほど効果的に区別できるか？
• RQ4 南大西洋帯域異常のような放射線環境から生じる運用課題は何か、そして小型サティライトでどのように緩和できるか？
• RQ5 通信障害による打ち切り後に、コンactな低消費電力システムが、信頼性を保ってX線センサーの運用を継続できるか、その程度はどの程度か？

主な発見

• HXCPは、80%の強度で90%偏光したシンクロトロンX線を垂直入射した場合、68.5 ± 0.3%のモodulation因子を達成し、偏光感度が確認された。
• 30°入射角の非垂直入射で90%偏光したX線に対しては、モodulation因子が62.6 ± 0.6%であった。これにより、入射角にかかわらず優れた性能を示した。
• WBMシステムは、異なる時間定数を持つ複数のトリガー系を用いてGRB候補を検出し、短時間および長時間のGRBを両方検出可能であった。
• 3.5か月の遅延にもかかわらず、2015年2月10日に、長期間にわたる地上コマンドアップリンクと検証を経てX線センサーが起動された。
• SAAマップ、SAAトリガーパターン検出、事前アップリンクされたコマンドシーケンスを組み合わせた多層戦略により、誤トリガーの防止とHXCPの放射線保護が実現された。
• 「TSUBAMEのdp10」というコマンド検証ツールにより、100件以上の重要なコマンドのタイミングが視覚的に確認可能となり、長期観測キャンペーン中の運用誤りリスクが低減された。