[論文レビュー] The UFFO (Ultra-Fast Flash Observatory) Pathfinder

I. H. Park, B. Grossan+12 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2009

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 4被引用数 7

ひとこと要約

UFFO Pathfinderミッションは、MEMSマイクロミラーを用いて1秒未満のスイーリングを実現するマイクロサテライトベースの観測所を提案している。これにより、ガンマ線バースト（GRB）の後光を超高速でモニタリング可能となる。1 msで安定する急速なビーム再配置を可能にすることで、従来の宇宙船スイーリングの制限を克服し、急速に明るさが増す短い硬いGRBの最初の詳細な光曲線を取得可能となる。これは、内部衝撃モデルの検証や極めて高いローレンツ因子の解明に不可欠である。

ABSTRACT

Hundreds of gamma-ray burst (GRB) UV-optical light curves have been measured since the discovery of optical afterglows, however, even after nearly 5 years of operation of the SWIFT observatory, only a handful of measurements have been made soon (within a minute) after the gamma ray signal. This lack of early observations fails to address burst physics at the short time scales associated with burst events and progenitors. Because of this lack of sub-minute data, the characteristics of the UV-optical light curve of short-hard type GRB and rapid-rising GRB, which may account for ~30% of all GRB, remain practically unknown. We have developed methods for reaching the sub-minute and the sub-second timescales in a small spacecraft observatory appropriate for launch on a microsatellite. Rather than slewing the entire spacecraft to aim the UV-optical instrument at the GRB position, we use rapidly moving mirrors to redirect our optical beam. Our collaboration has produced a unique MEMS (microelectromechanical systems) micromirror array which can point and settle on target in only 1 ms. This technology is proven, flying successfully as the MTEL (MEMS Telescope for Extreme Lightning) on the Tatiana-2 Spacecraft in September 2009 and as the KAMTEL on the International Space Station in April 2008. The sub-minute measurements of the UV-optical emission of dozens of GRB each year will result in a more rigorous test of current internal shock models, probe the extremes of bulk Lorentz factors, and provide the first early and detailed measurements of fast-rise and short type GRB UV-optical light curves.

研究の動機と目的

• ガンマ線バースト（GRB）の最初の1分以内における初期UV-光学データの不足に対処する。
• 通常数十秒かかる従来の宇宙船スイーリングの制限を克服し、1秒未塔の応答時間を実現する。
• 全GRBの約30％を占める急速に明るくなる短い硬いGRBの詳細な光曲線の研究を可能にする。
• UV-光学放射の初期時系列データを提供することで、GRB物理学の内部衝撃モデルを厳密に検証する。
• MEMSマイクロミラー技術を用いたマイクロサテライトベースの迅速応答天文観測の実現可能性を示す。

提案手法

• UV-光学望遠鏡とMEMSマイクロミラー配列を搭載したマイクロサテライトプラットフォームを採用する。
• 1 msで安定する高速なマイクロミラーを用い、宇宙船全体を回転させずに光学ビームをGRB位置に再配置する。
• 地上または搭載の検出器からのガンマ線バーストアラートに応じて即応する高速トリガーシステムを統合する。
• 前例のある運用実績を活用：2009年のTatiana-2のMTELおよび2008年のISSのKAMTELから信頼性を裏付ける。
• サブ分以内の応答時間を実現し、最初のガンマ線トリガーから数秒以内にGRB後光を観測可能にする。
• 急速なビーム再配置中に高い安定性と精度を確保するため、光学路および制御システムを最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MEMSマイクロミラーは、迅速なGRB後光観測のための1ミリ秒未塔のビーム再配置を達成できるか？
• RQ2 初期UV-光学データがGRB放射メカニズムの内部衝撃モデルの検証に与える影響は何か？
• RQ3 急速に明るくなる短い硬いGRBのUV-光学光曲線は、長期間持続するバーストとどのように異なるか？
• RQ4 機動性の高い指向性を持つマイクロサテライトプラットフォームは、大型で遅い観測所に代わって初期GRB研究にどの程度活用できるか？
• RQ5 低地球軌道で、MEMSベースのビームステアリング技術が天体的瞬時現象の検出に実現可能で、性能を発揮するか？

主な発見

• MEMSマイクロミラー配列は、飛行試験で1 msの安定時間で、ミリ秒未塔のビーム再配置を成功裏に実証した。
• UFFO Pathfinderの設計により、GRBトリガーから数秒以内にUV-光学後光観測が可能となり、従来の宇宙船スイーリングよりも著しく高速化された。
• この技術により、時間的制約により従来測定できなかった急速に明るくなる短い硬いGRBの最初の詳細な光曲線が初めて取得可能となった。
• MTEL（2009年、Tatiana-2）およびKAMTEL（2008年、ISS）の成功飛行により、宇宙空間における信頼性が裏付けられた。
• 年間数十個のGRBをサブ分以内に観測することで、内部衝撃モデルの検証やボリュームローレンツ因子の制約に不可欠なデータが得られる。
• 高頻度・低コストのトランジエント光学現象モニタリングが可能となり、マイクロサテライトベースの迅速応答天文観測の実現可能性が示された。