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Slewing Mirror Telescope of Ultra-Fast Flash Observatory for the Measurement of Early Photons from Gamma-Ray Bursts

Title
Slewing Mirror Telescope of Ultra-Fast Flash Observatory for the Measurement of Early Photons from Gamma-Ray Bursts
Authors
정수민
Issue Date
2013
Department/Major
대학원 물리학과
Publisher
이화여자대학교 대학원
Degree
Doctor
Advisors
박일흥
Abstract
감마선폭발은 현 우주에서 발생하는 가장 강력한 우주 폭발현상이다. 1990년대 이후 X 선 영역에서의 정확하고 빠른 위치 관측에 의해 감마선 폭발의 최초 후광 관측 등 여러 과학적 성과들을 얻게 되었다. 2004년 이후 미국 나사의 Swift 위성을 통해 우주에서 X선 영역의 측정뿐만 아니라, 자외/가시광 영역에서의 빠른 관측을 통해 지난 8년간 수많은 과학적 성과를 얻게 되었다. 하지만, 이와 같은 주목한 만할 많은 과학적 성과에도 불구하고, 여전히 감마선 폭발의 기원, 폭발 메커니즘, Jet 진화 등 여전히 많은 의문점이 남아있다. 여전히 남아 있는 위와 같은 난제들을 해결 하기 위해서는 감마선 폭발의 극 초기 순간의 후광 관측, 큰 적색 편이에서의 감마선 폭발 관측, 감마선 폭발의 jet 방출 에서의 편광 측정, 감마선 폭발 주변의 가스 성단의 관측 등이 앞으로 감마선 폭발 관측에서, 우주 쳔체 실험이 나아가야 할 방향이다. Ultra-Fast Flash Observatory는 감마선 폭발로부터 오는 극 초기 순간의 자외/가시광 영역에서의 후광의 최초 관측을 통해, 감마선 폭발의 기원 연구, 폭발 메커니즘 연구, 여러 전자기파 영역에서의 폭발 메커니즘의 물리적 상호 연관성 연구, 후광의 광도 곡선의 rising time 측정을 통한 감마선 폭발의 표준 촛불로써의 가능성 연구 등을 하고자 2009년에 처음으로 제안되었다. Ultra-Fast Flash Observatory의 아이디어를 처음으로 실제화 시키고, 그 아이디어를 증명하기 위한20 kg 무게의 Ultra-Fast Flash Observatory-pathfinder 우주 탑재체는 내년 러시아의 로모노소프 위성에 탑재되어 우주로 발사되어, 감마선 폭발의 관측을 시작할 예정이다. UFFO-patfhinder는 X선 영역에서의 감마선 폭발을 트리거 하고, 그 위치를 파악하는 X선 트리거 망원경, 이 트리거된 위치를 향해, 추적미러를 순간적으로 돌려 감마선 폭발로부터 오는 자외/가시광 영역의 후광의 광도곡선을 측정하고자 하는 자외/가시광 추적 망원경(Slewing Mirror Telescope, SMT)로 이루어져 있다. UFFO-pathfinder의 자외/가시광 망원경은 10 cm 크기의 구경을 가지고 있으며, 4.3 arcsec의 분해능으로 감마선 폭발의 후광을 관측 할 수 있다. 기존의 망원경 앞에 추적 미러를 두어서, 초당 ±35 deg2. 의 광시야각의 어떤 감마선 폭발 천체 현상에 대해서도 평균 1.5초안에 감마선 폭발의 X-선 영역 트리거와 거의 동시에, 자외/ 가시광 영역에서의 감마선 폭발의 광도곡선을 측정 할 수 있을 것이다. SMT 는 우주에서 약 19 mag 천체를 8시그마의 노이즈에 대한 시그널 비로 충분히 관측할 수 있을 것이며, 년간 10~20개의 감마선 폭발의 극초기 순간의 후광을 측정할 수 있을 것으로 기대한다. 자외/가시광 추적 망원경은 로모노소프 위성에 의해 주어진 전체 10 kg, 10 W, 65 (l) × 32 (w) × 20 (h) cm3 의 제한된 무게, 전력, 부피 조건을 모두 만족하면서, 성공적으로 개발 되었으며, 2011년 대만 우주국 산하 기관에서의 우주 환경 테스트를 성공적으로 마쳤다. 또한 러시아로 그 우주 비행 모델이 운반되어, 러시아에서의 SMT의 최종성능 평가, UFFO-pathfinder의 인테그레이션, 위성체와의 조립을 위한 로모노소프 위성 탑재체의 acceptance 테스트를 성공적으로 마쳤다. 현재 UFFO-pathfinder는 러시아에서 위성체와의 조립을 준비하고 있다. 저는 UFFO-pathfinder의 자외/가시광 망원경을 추적미러의 아이디어를 처음으로 실제화 하여, 망원경의 디자인, 시뮬레이션, 조립, 테스트를 성공적으로 마쳤으며, 자외/가시광 망원경의 전체 시스템 테스트, 대만에서의 우주 환경 테스트, 러시아에서의 탑재체 인테그레이션 및 위성체와의 테스트를 주도하여, 성공적으로 내년 런치를 위한, 자외/가시광 망원경을 개발 하였다. 또한 이 논문에서는 자외 가시광 영역의 극 초기 순간의 감마선 폭발의 후광의 광도곡선을 측정하여, 이루고자 하는 천체 물리학에서의 초기 광 관측 (Early photon physics)의 의의와 전망을 다루었다.;Gamma-Ray Bursts (GRBs) are the most powerful and cosmic scale explo-sions in the universe, emitting all types of electromagnetic radiations and par-ticles only for a few tens of seconds. Despite of remarkable progress since 1990s in the study of GRBs, e.g. precise and fast localization of GRBs and observations of multi-band prompt emission and afterglows since 1990s, many questions remain unanswered, i.e. the origin of GRBs, burst mechanism, and potential tool for early universe probe. Due to the present limitation in response time, i.e. slewing time of satellites and ground telescopes, only handful events of early UV/optical measurements are available up to now. This gives rise to an urgent necessity for a new and faster response instrument capable of early or prompt UV/optical/IR photon measurements immediately after the localization of GRBs given by X-ray observations. To explore a new time domain of GRBs in UV/optical/IR bands, the Ultra-Fast Flash Observatory (UFFO) project has been proposed since 2009. As the first step for the realization and proof of the UFFO concept (fast slewing to GRB, fast localization of GRB, and utilizing small satellite), the payload of UFFO-pathfinder packed in 20 kg of total mass has been built and to be launched aboard Lomonosov satellite in 2013. There are two instruments installed in UFFO-pathfinder. One is Slewing Mirror Telescope (SMT), newly introduced as a key telescope of UFFO for UV/optical observations. The other is UFFO Burst Alert & Trigger Telescope (UBAT) for GRB trigger and localization through X-ray measurements. On localizing GRB by UBAT, SMT of UFFO-pathfinder is designed to point at the GRB less than 1 second over its entire field of view (FOV) of 70 x 70 deg2. Such an extraordinary rapid response capability of SMT will provide observation of UV/optical light curves nearly simultaneously with X-rays. The SMT of UFFO-pathfinder was built with 10 cm aperture Ritchey-Chrétien telescope with 4.3 arcsec resolution and a 2-axis gimbal stage. It turned out from laboratory tests to point the source in 1.5~1.8 seconds with 2 arcmin pointing accuracy over the FOV of ±35 deg2. The accuracy of pixel resolution of SMT was measured to be 4.3 arcsec, similar to Swift. The sensitivity of SMT was estimated to be 19 magnitude at signal (GRB) to noise (diffused background) ratio of 8 sigma for 100 seconds exposure time, that is lower than Swift by 3 orders of magnitude. We developed all mechanics well within limited volume and mass budget while keeping the stiffness. The SMT met the requirement from Lomonosov satellite in SMT’s mass and volume that was incredibly tight, i.e. 10 kg and 65 (l) × 32 (w) × 20 (h) cm3, respectively by passing a series of space qualification tests including shock and vibration at Taiwanese and Russian space agencies. The SMT of UFFO-pathfinder foresees the detection of about 10~20 UV/optical light curves of GRBs with unprecedented early time captures, i.e. onset of UV/optical from GBRs. I made a key role in realization of SMT concept for the first time by build-ing the SMT instrument successfully for UFFO-pathfinder. This thesis describes details of the design, construction and final performance test of the SMT; the integration of SMT to UFFO-pathfinder and its space qualification tests final end-to-end SMT performance validation, UFFO-pathfinder integration to the Lomonosov spacecraft and the payload acceptance test in Russia, all that I took in charge of. I also present my study on astrophysical importance and prospects associated with such a rapid response for early photons observation that is only plausible by our SMT.
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