[论文解读] PROMPT: Panchromatic Robotic Optical Monitoring and Polarimetry Telescopes

D. Reichart, M. Nysewander+12 more|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 2005

Spacecraft Design and Technology被引用 57

一句话总结

PROMPT 是位于CTIO的六台0.41米里奇-克莱琴望远镜组成的机器人多波段系统，专为在伽马射线暴（GRB）警报发出后数秒内实现全波段光学与偏振监测而优化。该系统可通过红移跌落特征实现早期红移测定，并利用八波段测光与定制光学偏振仪区分高红移GRB与尘埃消光的GRB，其对Swift GRB 041217的首次观测证实了系统功能，极限星等为R_c = 21.5等。

ABSTRACT

Funded by $1.2M in grants and donations, we are now building PROMPT at CTIO. When completed in late 2005, PROMPT will consist of six 0.41-meter diameter Ritchey-Chretien telescopes on rapidly slewing mounts that respond to GRB alerts within seconds, when the afterglow is potentially extremely bright. Each mirror and camera coating is being optimized for a different wavelength range and function, including a NIR imager, two red-optimized imagers, a blue-optimized imager, an UV-optimized imager, and an optical polarimeter. PROMPT will be able to identify high-redshift events by dropout and distinguish these events from the similar signatures of extinction. In this way, PROMPT will act as a distance-finder scope for spectroscopic follow up on the larger 4.1-meter diameter SOAR telescope, which is also located at CTIO. When not chasing GRBs, PROMPT serves broader educational objectives across the state of North Carolina. Enclosure construction and the first two telescopes are now complete and functioning: PROMPT observed Swift's first GRB in December 2004. We upgrade from two to four telescope in February 2005 and from four to six telescopes in mid-2005.

研究动机与目标

• 在伽马射线暴警报发出后数秒内，实现对GRB后随的快速多波段测光与偏振监测，这对早期红移测定至关重要。
• 利用u', g', r', i', z', J, H, 和SFD覆盖的多波段测光，区分高红移GRB与被尘埃消光的GRB。
• 实时测量GRB后随的光学偏振，可能揭示磁驱动喷流组分。
• 作为CTIO SOAR 4.1米望远镜光谱后续观测的距离测定前导工具。
• 在不观测GRB时，支持北卡罗来纳州的广泛教育推广活动。

提出的方法

• 在快速转向的Paramount ME赤道仪上部署六台0.41米里奇-克莱琴望远镜，每台配备波长优化的镜面与相机。
• 为每台望远镜配备专用仪器：液氮冷却的HgCdTe FPA近红外相机、两台面向红光优化、一台面向蓝光优化、一台面向紫外光优化的CCD相机，以及配备菲涅尔菱形和沃尔伦斯顿棱镜的定制光学偏振仪。
• 通过在不同菲涅尔菱形旋转角度下测量图像比值，利用斯托克斯参数确定线性偏振度。
• 仅使用两组曝光数据，通过冗余滤波器重建光谱能量分布（SFD），即使在光变曲线高度变化的早期阶段也能实现早期红移估计。
• 利用Swift的快速定位能力（15秒内）和高时间分辨率的GRB探测能力（每年约15–30个在CTIO可见的GRB），最大化后随观测机会。
• 与SOAR协同进行光谱后续观测，根据PROMPT的测光红移或消光估计，选择使用光学（Goodman光谱仪）或近红外（OSIRIS）光谱仪。

实验结果

研究问题

• RQ1 机器人多波段光学与偏振望远镜系统能否在1分钟内响应GRB警报，并通过红移跌落特征实现早期红移测定？
• RQ2 PROMPT的八波段测光能否利用消光曲线、Lyα森林与莱曼截止模型，有效区分高红移GRB与尘埃消光的GRB？
• RQ3 机器人光学偏振仪能否在瞬时后随阶段测量高偏振度（例如>80%），从而揭示磁驱动喷流组分？
• RQ4 PROMPT的快速测光响应与SFD重建能否将所需曝光组数减少至两组，即使在早期光变曲线高度变化的情况下？
• RQ5 PROMPT的测光红移估计能否指导SOAR上最优光谱仪的选择，从而提高后续观测效率？

主要发现

• PROMPT在爆发后23.8小时内实现首次光并观测到Swift的首例GRB（041217），达到3σ极限星等R_c = 21.5等。
• 系统成功展示了快速响应与多波段测光能力，仅用两组曝光即能重建SFD并估计红移，即使在早期光变剧烈波动的情况下亦成立。
• 光学偏振仪由北卡罗来纳大学教堂山分校自主设计与建造，可在GRB触发后约20秒起开始进行偏振测量。
• 预计PROMPT每年将探测约15个GRB，其中在爆发后数分钟内触发，包括约2–3个z > 5的GRB与约1个z > 10–15的GRB，可回溯至第一代恒星形成时期。
• 该系统可为SOAR的光谱后续观测提供引导，根据PROMPT的测光红移估计，实现光学与近红外光谱仪之间的快速切换。
• 与Swift的UVOT及SOAR的光谱学协同，将红移探测范围从PROMPT的z ≈ 13扩展至SOAR K波段成像的z ≈ 17。