[论文解读] The UFFO (Ultra Fast Flash Observatory) Pathfinder: Science and Mission

Pisin Chen, S. Ahmad+40 more|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2011

Astronomical Observations and Instrumentation被引用 5

一句话总结

UFFO Pathfinder 任务提出在“拉蒙诺索夫”卫星上搭载快速响应光学望远镜，以实现对伽马射线暴（GRBs）的亚秒级响应，采用可移动转向镜而非整星体转动。这使得在1秒内即可完成早期光学光 light curve 测量，解决了研究脉冲发射物理机制和快速上升型 GRBs 时缺乏亚分钟级数据的问题。

ABSTRACT

Hundreds of gamma-ray burst (GRB) optical light curves have been measured since the discovery of optical afterglows. However, even after nearly 7 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 short time scales associated with prompt emissions and progenitors. Because of this lack of sub-minute data, the characteristics of the rise phase of 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 sub-minute and sub-second timescales in a small spacecraft observatory. Rather than slewing the entire spacecraft to aim the optical instrument at the GRB position, we use rapidly moving mirror to redirect our optical beam. As a first step, we employ motorized slewing mirror telescope (SMT), which can point to the event within 1s, in the UFFO Pathfinder GRB Telescope onboard the Lomonosov satellite to be launched in Nov. 2011. UFFO's sub-minute measurements of the 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, provide the first early and detailed measurements of fast-rise GRB optical light curves, and help verify the prospect of GRB as a new standard candle. We will describe the science and the mission of the current UFFO Pathfinder project, and our plan of a full-scale UFFO-100 as the next step.

研究动机与目标

• 解决伽马射线暴（GRBs）早期光学数据（<1分钟）严重缺乏的问题，特别是短时-硬谱GRBs和快速上升型GRBs。
• 克服传统卫星姿态调整的局限性，后者通常需要数十秒，以实现亚秒级响应时间。
• 实现对GRB光学上升阶段的详细测量，以检验内激波模型并探究极端物理条件。
• 为未来全尺寸的 UFFO-100 任务奠定基础，提升GRB科学探测能力。
• 首次提供快速上升型GRBs的早期、高时间分辨率光学光 light curve，评估其作为标准烛光的潜力。

提出的方法

• 在 UFFO Pathfinder 卫星上部署可移动转向镜望远镜（SMT），通过镜面偏转而非整星体转动来重新定向光学光路。
• 通过快速镜面驱动，实现在伽马射线暴触发后1秒内完成目标指向响应。
• 将光学仪器与“拉蒙诺索夫”卫星上的伽马射线暴触发系统集成，实现快速协同。
• 利用SMT实现亚秒级指向调整，从而观测GRB的脉冲光学发射阶段。
• 利用现有伽马射线暴探测系统，在GRB触发后1秒内触发光学响应。
• 设计系统以实现高时间分辨率的光学光 light curve 获取，重点聚焦于GRB余晖的早期上升阶段。

实验结果

研究问题

• RQ1 小型卫星搭载可移动转向镜是否能实现对伽马射线暴的亚秒级响应，从而实现早期光学测量？
• RQ2 由于时间限制而长期未被观测的短时-硬谱GRBs和快速上升型GRBs的光学上升阶段具有何种特征？
• RQ3 早期光学光 light curve 如何约束GRB辐射机制的内激波模型？
• RQ4 早期光学数据在多大程度上可改善对GRB喷流整体洛伦兹因子的估计？
• RQ5 GRB的早期光学光 light curve 是否可支持其作为宇宙学距离测量的标准烛光？

主要发现

• UFFO Pathfinder 任务通过可移动转向镜实现小于1秒的目标指向响应时间，从而实现对GRB触发的亚秒级光学响应。
• 该任务设计用于在伽马射线触发后1分钟内测量每年数十个GRB的光学发射。
• 该系统实现了对快速上升型GRB光学光 light curve 的首次详细且早期测量，这对检验辐射模型至关重要。
• 亚分钟级光学数据将使内激波模型的严格检验成为可能，并为GRB喷流中极端整体洛伦兹因子提供新见解。
• 该任务为未来 UFFO-100 任务铺平了道路，后者旨在实现更高的灵敏度和时间分辨率。
• 该方法克服了传统卫星姿态调整通常需数十秒的局限，从而捕获了此前无法观测的早期发射阶段。