Compton Gammastrahlenobservatorium

Compton Gammastrahlenobservatorium Beschreibung dieses Bildes, auch unten kommentiert Künstlerische Darstellung des Compton Gamma-Ray Observatory. Allgemeine Daten
Organisation NASA
Programm Große Observatorien
Feld Gammastrahlenstudie
Andere Namen CGRO
Starten 5. April 1991 um 14:23 Uhr UT
Startprogramm Atlantis
Ende der Mission 4. Juni 2000
COSPAR-Kennung 1991-027B
Seite? ˅ cossc.gsfc.nasa.gov
Technische Eigenschaften
Messe beim Start 16.329 kg
Orbit
Orbit Niedrige Erdumlaufbahn
Periapsis 362 km
Apoapsis 457 km
Zeitraum 90 min
Neigung 28,5 °
Teleskop
Art Mehrere Gammaszintillationsdetektoren
Wellenlänge Gamma Strahlen
Hauptinstrumente
SCHLÄGER 8 Gammadetektoren 20 keV-1 MeV
OSSE 100 keV-10 MeV Detektor
COMPTEL 1-30 MeV Detektor
EGRET 20 MeV-30 GeV-Detektor

Das Compton Gamma Ray Observatory (CGRO) ist ein Weltraumobservatorium für γ-Strahlen, das von der NASA entwickelt wurde . Es ist eines der vier Weltraumteleskope des Large Observatories-Programms , das in den 1980er Jahren von der amerikanischen Weltraumbehörde entwickelt wurde , um die Hauptfragen auf dem Gebiet der Astronomie und Astrophysik zu behandeln . Es wird vom Space Shuttle Atlantis (Mission STS-37 ) in die Umlaufbahn gebracht5. April 1991und eine Masse von fast 17 Tonnen. Zum Zeitpunkt seines Starts war es der schwerste Astrophysik-Satellit, der jemals gestartet wurde. Das Compton Gamma-Ray Observatory mit seinen vier Instrumenten, die ein sehr breites Energiespektrum von 20  keV bis 30 Gev abdecken, ist das erste Gamma-Observatorium, das den gesamten Himmel beobachtet und Daten von beispielloser Präzision liefert. Das Compton Gamma-Ray Observatory liefert zahlreiche Ergebnisse, die die Beiträge der Gamma-Astronomie legitimieren. Insbesondere wird mit dem BATSE-Instrument eine Zählung von Gammastrahlen-Bursts durchgeführt, mit der der extragalaktische Ursprung von Gammastrahlen-Bursts nachgewiesen werden kann . Nach 9 Jahren Betrieb wurde das Compton Gamma-Ray Observatory, dessen Betrieb sich nach dem Verlust eines Gyroskops verschlechterte, bei seinem Wiedereintritt in die Atmosphäre am 4. Juni 2000 absichtlich zerstört .

Historisch

In der Mitte der 1970er Jahre die amerikanische Raumfahrtbehörde entwickelte NASA, drei Weltraumobservatorien - HEAO-1 (gestartet 1977), HEAO-2 (1978) und HEAO-3 (1979) - das sich mit der Beobachtung . Röntgenstrahlen und Gamma . 1977 kündigte die NASA die Entwicklung eines Observatoriums an , das sich im Rahmen ihres Programms für große Observatorien ausschließlich der Gammastrahlung widmet . Dies umfasst 4 Hubble- Missionen (gestartet 1990) für Beobachtungen im sichtbaren Spektrum und im nahen Ultraviolett , Chandra (1999) für weiche Röntgenstrahlen , Spitzer für Infrarot (2003) und Gammastrahlenobservatorium für Gammastrahlung und harte Röntgenstrahlen . Die Entwicklung der Mission des Gammastrahlen-Observatoriums wird dem Goddard Space Flight Center übertragen , einer NASA-Einrichtung, die für astrophysikalische Missionen verantwortlich ist . Das Weltraumobservatorium wurde unter Ausnutzung der technischen Durchbrüche der 1980er Jahre auf dem Gebiet der Detektoren entwickelt.

Nach 14 Jahren Entwicklung wurde das Compton Gamma-Ray Observatory vom Space Shuttle Atlantis (Mission STS-37 ) in die Umlaufbahn gebracht5. April 1991. Um die Lebensdauer des Gammastrahlenobservatoriums zu verlängern, steigt das Space Shuttle außergewöhnlich auf die Arbeitshöhe des Weltraumobservatoriums (450  km mit einer Umlaufbahnneigung von 28,5 °). Das Observatorium wurde am dritten Tag der Mission fallen gelassen, aber zwei Astronauten mussten einen Weltraumspaziergang durchführen , um die Antenne mit großem Gewinn freizuschalten, die sich weigerte, eingesetzt zu werden. Nach seinem Start wurde das Weltraumobservatorium zu Ehren von Arthur Compton , Nobelpreisträger für Physik für seine Arbeit an Gammastrahlen, auf das Compton Gamma Ray Observatory getauft . Die Mission sollte zwei Jahre dauern und möglicherweise um ein Jahr verlängert werden. Die Instrumente funktionieren schließlich 9 Jahre lang.

Sobald es gestartet ist, beschließt die NASA, dass der Satellit am Ende seiner Lebensdauer einen kontrollierten atmosphärischen Wiedereintritt durchführt , um jedes Risiko zu vermeiden, da aufgrund seiner Größe (16 Tonnen) einige Teile des Satelliten den Boden erreichen können. Im Dezember 1999 fiel eines der drei Gyroskope des Satelliten aus und die NASA-Ingenieure beschlossen, einen atmosphärischen Wiedereintritt auszulösen, ohne auf einen weiteren Ausfall zu warten. Ende Mai wurden die Triebwerke des Compton Gamma-Ray Observatory viermal abgefeuert, um die Umlaufbahn auf eine Höhe von 148 km zu senken  . Der Satellit trat am 4. Juni 2000 kontrolliert wieder in die Atmosphäre ein, und seine Trümmer stürzten etwa 4.000  km südöstlich von Hawaii in den Pazifik .

Missionsziele

Die Ziele der Mission werden auf der Grundlage der Empfehlungen des Komitees für Astronomie und Weltraumastrophysik der American National Academy of Sciences definiert :

Technische Merkmale des Observatoriums

Das Compton Gamma-Ray Observatory war zu dieser Zeit der größte wissenschaftliche Satellit, der jemals mit einer Masse von über 16 Tonnen gestartet wurde. Dies ist unterteilt in 6 Tonnen für die Nutzlast , 8 Tonnen für die Struktur und 1,9 Tonnen Treibmittel für den Antrieb. Der Körper des Satelliten nimmt ein Volumen von 7,7 x 5,5 x 4,6  m ein . Die einmal eingesetzten Sonnenkollektoren haben eine Flügelspannweite von 21 Metern. Die Instrumente sind so auf der Plattform positioniert , dass kein Hindernis in ihr Sichtfeld gerät. Zum Start nimmt das Compton Gamma-Ray Observatory etwa die Hälfte des Laderaums des US-Space Shuttles ein . Das Antriebssystem besteht aus 4 Raketenmotoren eine HAVING Einheit Schub von 440 Newton für Bahnkorrekturen und 8 Triebwerke von 22 Newton für die Orientierungssteuerung verwendet. Alle diese Motoren verbrennen Hydrazin, das in vier Tanks gespeichert ist. Die 16 Tonnen sollten es dem Observatorium ermöglichen, 6 bis 10 Jahre in seiner Umlaufbahn zu bleiben. Die Hauptverbrauchsquelle hängt mit der Verschlechterung der Umlaufbahn aufgrund des durch die Restumlaufbahn erzeugten Widerstands zusammen.

Der Satellit ist auf 3 Achsen stabilisiert und die Instrumente sind mit einer Genauigkeit von 0,5 ° ausgerichtet. Die Ausrichtung und die Bewegungen des Compton-Gamma Ray Observatory werden über 3 bestimmt Fest Kopf star Sehenswürdigkeiten , eine Trägheitseinheit , bestehend aus 4 - Gyroskope und Grob- und Feinsolarkollektoren Um seine Ausrichtung zu ändern, verfügt das Weltraumobservatorium über 4 Reaktionsräder und als letzten Ausweg (Radsättigung) über das Antriebssystem. Im normalen Betriebsmodus hält der Satellit die Instrumente auf das ausgewählte Ziel gerichtet. Das Telekommunikationssystem basiert auf dem der Satelliten Solar Maximum Mission und Landsat 4 und 5 . Dieser arbeitet im S-Band und umfasst eine Parabolantenne mit großem Gewinn von 1,52 Metern Durchmesser und zwei Antennen mit geringem Gewinn. Wissenschaftliche Daten werden mit einer Geschwindigkeit von 256 bis 512 Kilobit pro Sekunde über die NASA TDRS- Relaissatelliten oder 32 Kilobit / s direkt an die Bodenstationen übertragen. Bestellungen gehen mit einer Rate von 1 oder 125 Kilobit / s ein. Die Stromversorgung erfolgt über Sonnenkollektoren, die beim Start zu einem Akkordeon gefaltet und im Orbit eingesetzt werden. Diese mit einer Gesamtfläche von 37 m² produzieren zu Beginn der Mission 4.300 Watt, während das Observatorium 2.000 Watt benötigt. Die Energie wird in 6 Nickel-Cadmium-Akkumulatoren mit einer Kapazität von 50 Amperestunden gespeichert .

Wissenschaftliche Instrumente

Das Compton Gamma-Ray Observatory verfügt über vier Instrumente, die zum ersten Mal das gesamte hochenergetische elektromagnetische Spektrum (von 20  keV bis 30  GeV ) abdecken , dh mehr als 6 Größenordnungen in Frequenz , Wellenlänge oder Energie . Die Instrumente werden nachstehend in aufsteigender Reihenfolge der Energie beschrieben.

SCHLÄGER

BATSE ( Burst und Quelle Experiment Transient ), beobachtet niedrige Energiegammastrahlung ( 20  keV - 1  MeV ) und kurze Dauer, Gamma - Bursts . Das Instrument besteht aus 8 Szintillationsdetektoren , die jeweils an einer Ecke des Satelliten angeordnet sind (selbst die ungefähre Form eines Parallelepipeds haben ). Diese Konfiguration ermöglicht es dem Satelliten, kontinuierlich den gesamten sichtbaren Himmel abzutasten (ausgenommen Hindernisse für die Erde). Das Sichtfeld der Detektoren überlappt sich, wodurch ein Gammastrahlenstoß gleichzeitig von 4 Detektoren sichtbar wird. Da der Effekt auf die Intensität des Signals wirkt, ermöglicht diese Anordnung, die Position der Quelle mit einer Genauigkeit von 3 ° für die intensivsten Gammastrahlen-Bursts zu bestimmen. Jeder Detektor verwendet zwei Szintillatoren auf Basis von Kristallen von Natriumiodid die Gammastrahlen fällt umwandeln Licht sichtbar . Eine Photovervielfacherröhre wird verwendet, um das erzeugte Licht zu analysieren. Die Ankunftsrichtung der Gammastrahlen wird durch Vergleichen der Ankunftszeiten der Gammastrahlen auf den verschiedenen Detektoren bestimmt (daher der Vorteil, sie so weit wie möglich voneinander entfernt zu halten, indem sie in den Ecken des Satelliten positioniert werden).

Jeder der Detektoren enthält zwei Szintillatoren. Der große LAD ( Large Area Detector ) (B im Diagramm) ist eine Platte mit einem Durchmesser von 51 cm und einer Dicke von 1,3 cm. Es ist für die Erkennung von Ereignissen mit kurzer und geringer Intensität optimiert, wobei der Schwerpunkt auf der Empfindlichkeit und der Messung der Ankunftsrichtung liegt. Drei Fotovervielfacher ( C im Diagramm ) verstärken die erzeugte Lichtstrahlung. Ein Kunststoff-Szintillator vor der KOP ( A im Diagramm ) wird als Antikoinzidenzsystem verwendet, um das von den geladenen Partikeln erzeugte Hintergrundgeräusch zu beseitigen.

Der SD ( Spectroscopy Detector ) ist für Ereignisse mit einer größeren Anzahl von Photonen optimiert, um spektroskopische Messungen durchführen zu können . Mit seiner geringen Größe ( D im Diagramm ) kann ein breiteres Energiespektrum mit besserer Auflösung gemessen werden. Um einen Gammastrahlen-Burst zu erfassen, analysiert die eingebettete Software die Anzahl der von jedem der 8 Detektoren in verschiedenen Zeitskalen (64 ms, 256 ms und 1024 ms) erzeugten Photonen und vergleicht sie mit dem Hintergrundrauschen.

OSSE

Das vom Naval Research Laboratory entwickelte OSSE ( Oriented Scintillation Spectrometer Experiment ) detektiert Gammastrahlen, deren Energie zwischen 100 keV und 10 MeV liegt . Es enthält vier Phoswich-Detektoren (Sandwich aus NaI (Ti)) und CsI (Na) -Szintillatoren . Die individuelle Ausrichtung jedes Detektors kann in einer Ebene geändert werden. Diese Funktion wird einerseits verwendet, um das Hintergrundgeräusch zu messen (dies wird ausgewertet, indem das Instrument 2 Minuten lang vom Objektiv entfernt wird), andererseits, um das Instrument trotz der durch die Bewegung hervorgerufenen Orientierungsänderung auf ein bestimmtes Ziel gerichtet zu halten des Satelliten in seiner Umlaufbahn. Der Detektor mit 33 cm Durchmesser besteht aus einem 10,2 cm dicken NaI (Ti) -Kristall, der optisch mit einem 7,6 cm dicken CsI (Na) -Kristall gekoppelt ist. Die erzeugten Photonen werden durch sieben Photovervielfacherröhren mit 8,9 cm Durchmesser verstärkt , die eine spektrale Auflösung von 8% bei 0,661 MeV erreichen. Eine Wolfram - Legierung Kollimator begrenzt das Sichtfeld auf ein rechteckiges Fenster von 3,8 x 11,4 ° über das gesamte Energiespektrum. Die Öffnung jedes Phoswich-Detektors wird von einem Ladungsteilchendetektor (CPD) abgedeckt, der aus einem 55,8 cm breiten und 6 mm dicken Kunststoff-Szintillator besteht, der mit 4 Photovervielfacherröhren mit einem Durchmesser von 5,1 cm verbunden ist, wodurch es möglich ist, Detektionen aufgrund des Hintergrunds abzulehnen Lärm. Der Kollimator und der Phoswich-Detektor sind in einer ringförmigen Hülle eingekapselt, die aus einem Szintillator besteht, der aus einem 8,5 cm dicken und 34,9 cm langen NaI (Ti) -Kristall besteht, der ebenfalls zur Anti-Koinzidenz-Abschirmung beiträgt.   

COMPTEL

COMPTEL ( Imaging Compton Telescope ), entwickelt vom Max-Planck-Institut, beobachtet die Gammastrahlung, die mit einer Energie zwischen 1 und 30 MeV emittiert wird. Es kann den Ankunftswinkel auf einen Grad und die Energie von hochenergetischen Photonen auf 5% genau bestimmen. Seine Detektoren ermöglichen die Rekonstruktion eines Gammabildes eines Teils des Himmels. COMPTEL besteht aus zwei Detektoranordnungen im Abstand von 1,5 Metern, die nacheinander von Gammastrahlen getroffen werden. Die obere Detektoranordnung besteht aus einem flüssigen Szintillator und dem unteren Detektor Natriumiodid Kristalle .

EGRET

EGRET ( Energetic Gamma Ray Experiment Telescope ) misst Gammaquellen bei den höchsten Energien ( 20  MeV bis 10  GeV ), indem die Quelle mit einer Genauigkeit von einem Bruchteil eines Grades lokalisiert und die Energie auf die nächsten 15% ausgewertet wird. EGRET ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen dem Goddard Space Flight Center , dem Max-Planck-Institut und der Stanford University . Der Teilchendetektor ist eine Funkenkammer , die die Produktion eines erkennt Elektronen - Positronenpaar , wenn der Gammastrahl durch das Gas gelangt , die sie ausfüllt. Ein Kalorimeter unter Verwendung eines NaI (Ti) -Szintillators unter der Kammer ermöglicht die genaue Bestimmung der Energie des Strahls. Das Instrument ist in einer Anti-Koinzidenz-Kuppel eingeschlossen, die geladene Teilchen von Hintergrundgeräuschen abweist. Der Ursprung des Gammastrahls wird durch zwei Schichten von 16 Flugzeit-Szintillatoren bestimmt. Eine zweite Funkenkammer zwischen den beiden Schichten der Szintillatoren ermöglicht es, die Flugbahn des Elektrons zu verfolgen und liefert zusätzliche Informationen, insbesondere über die Energie des Partikels. Die Energie des Gammastrahls wird weitgehend durch einen quadratischen Szintillator (76 x 76 cm) bestimmt, der aus NaI (Ti) -Kristallen besteht und sich unter den Flugzeit-Szintillatoren befindet.

Ergebnisse

Bilder aufgenommen vom Compton Gamma-Ray Observatory

Nachfolger

Im Raumfahrtbereich, die Swift - Satelliten im Jahr 2004 und der gestartete Fermi Gamma-ray Space Telescope (GLAST) startete in 2008 , sind die Nachfolger des Compton Gamma-Ray Observatory . Auf dem Boden, das High Energy Stereoscopic System darstellt (HESS) , um das erste richtige Teleskop (Lage , Bilder von astrophysikalischen Quellen dank einer erzeugen ausreichend hohe Winkelauflösungsvermögen , die in diesem Wellenlängenbereich.

Anmerkungen und Referenzen

Anmerkungen

  1. (in) "  STS-37 (39)  " , Kennedy Space Center (NASA) , NASA (abgerufen am 29. Dezember 2016 )
  2. (in) "  COMPTON GAMMA RAY BEOBACHTUNG SICHER ZURÜCK ZUR ERDE  " , Weltraum Goddard Flight Center ,4. Juni 2000
  3. Gammastrahlenobservatorium (GRO) Prelaunch Mission Operations Report , S. 22 .  6
  4. Gammastrahlenobservatorium (GRO) Prelaunch Mission Operations Report , S. 22 .  26
  5. Gammastrahlenobservatorium (GRO) Prelaunch Mission Operations Report , S. 22 .  29-31
  6. Gammastrahlenobservatorium (GRO) Prelaunch Mission Operations Report , S. 22 .  31-33
  7. Compton Gammastrahlenobservatorium: Lehren aus dem Antrieb , S. 22 .  12
  8. Gammastrahlenobservatorium (GRO) Prelaunch Mission Operations Report , S. 22 .  33
  9. (in) "  The BATSE Instrument  " , Weltraum Goddard Flight Center (abgerufen am 10. März 2014 )
  10. (in) "  Beschreibung des OSSEs-Instruments  " , Weltraum Goddard Flight Center (abgerufen am 10. März 2014 )
  11. (in) "  Beschreibung des COMPTEL-Instruments  " , Weltraum Goddard Flight Center (abgerufen am 10. März 2014 )
  12. (in) "  Einführung in EGRET EGRET-Datenprodukte und EGRET-Datenanalyse  " , Weltraum Goddard Flight Center (abgerufen am 10. März 2014 )
  13. (en) "  Gammastrahlenastronomie in der Compton-Ära  " , Goddard Space Flight Center ,26. April 2008, p.  2

Literaturverzeichnis

Über Gammastrahlenausbrüche:

Siehe auch

Zum Thema passende Artikel

Externe Links