Those Unsung Heroes in GRB Observations：空间卫星篇

接过帮组里整理GCN公告的任务已经有大半年了，期间陆陆续续与大量的观测数据打交道。关于伽玛射线暴观测史上的诸多里程碑式卫星自然是不必多讲，本站也早有相关文章；不过对于那些名气没有那么响的家伙，介绍却是不多，于是在这里总结一番，也算是方便今后自己的工作。本文先说说相关的空间任务，用于后续监测的地面望远镜则留给他文。</>牵扯到伽玛暴的空间探测器可以列出一个长长的名单，不过伽玛暴之于它们多半属于副业。本文要说的，是以爆发监测为主要任务之一，至少也是监测数据较多的在役卫星，也都算是GCN公告中的熟面孔。至于其他，写上10篇也不一定能完全覆盖，何况其露面也是零星的，就暂且不予介绍了。　INTEGRAL：积分高天对于伽玛暴观测来说，INTEGRAL应该算是几大里程碑之外比较出名的卫星了。这颗欧洲空间局属下的卫星于2002年搭乘俄罗斯的质子火箭发射升空，其上装备了当代最为灵敏的伽玛射线探测器，设计目标是探索最为狂暴的天体活动，包括伽玛暴、黑洞、活动星系、中子星和超新星。INTEGRAL是国际伽玛射线天体物理学实验室（INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory）的缩写，卫星规模庞大，总重约4吨，高5米，直径3.7米，太阳能电池帆板完全展开后更是长达16米。这样一个大块头可以分为两大主要部分，星体下方的控制系统以及上方的载荷。出于减少开支的考虑，控制系统沿用了早年为XMM-牛顿多镜面X射线望远镜开发的组件。重达2吨的科研设备是欧空局迄今发射过的最重载荷，其中的相当一部分重量都是用于提升探测器灵敏度的宇宙线屏蔽系统所占据的。INTEGRAL卫星。（图片提供：ESA；绘图：D. Ducros）轨道是INTEGRAL的又一特色。与雨燕卫星高度600千米的近圆轨道不同，INTEGRAL近地点高度早年是9000千米，现在已经增加到了13000千米；远地点则是154000千米。如此的优势是允许长时间瞄准同一目标，而不必太多考虑地球的遮挡。作为对比，雨燕的爆发后续观测就经常因地球的遮挡而中断。不过高轨道有得有失，由此带来的问题是辐射带的干扰，穿越辐射带的过程也就算是INTEGRAL的无效时间了，这约占总轨道时间的10%。INTEGRAL小组发布的GCN公告有个缺点，不提供辐射谱参数。这当然是说INTEGRAL不具备谱观测的能力，实际上从15 keV到10 MeV，该卫星都可以成图成谱；据说个中重要的原因是数据处理的难度，与雨燕等高能卫星相比，INTEGRAL的处理过程要更加麻烦。既然GCN公告对时效性的要求较高，怕是谱分析这种耗时颇多的工作就不能及时完成了。数据处理的难度与INTEGRAL探测器的结构有关。与伽玛暴直接相联的两台仪器是成象仪IBIS与光谱仪SPI，都是运用了编码掩模成象技术的探测器，这种结构的探测器得到的数据比普通的高能光子探测器处理起来复杂很多。其中IBIS由钨制编码掩模以及两层平行探测器组成，包括用于探测软伽玛射线的16384个碲化镉晶体以及用于探测硬伽玛射线的4096个碘化铯晶体，定位精度可以达到1角分，角分辨率12角分，同时也具备一定的成谱能力。SPI则可以在20 keV到8 MeV的能段上进行高分辨率谱观测，在1 MeV处的能谱分辨率约为2.5 keV。与IBIS类似，SPI的探测器也位于掩模之下，是冷却到85开尔文的锗晶体，外围包裹充当反符合屏蔽宇宙线装置的锗酸铋晶体群，为了进一步屏蔽511 keV附近的宇宙线粒子，又额外在掩模之下设置了塑料反符合层。后来开发的算法进一步挖掘了SPI的能力，可以让它的锗酸铋晶体利用二次散射效应对天体成象，扩展了INTEGRAL的视野。其实说到爆发监测，倒是这层晶体更为实用。INTEGRAL的科研载荷，左：光谱仪SPI；中上：伽玛射线成象仪IBIS；中下：X射线探测器JEM-X；右：光学望远镜OMC。（图片提供：ESA）不过本人并没有真正接触过INTEGRAL卫星的原始数据，按说雨燕卫星的触发系统也是基于编码掩模的，但其数据处理方法与其他卫星类似，不清楚INTEGRAL的特殊之处具体在哪里。在IBIS与SPI之外，INTEGRAL还携带了X射线探测器JEM-X和光学望远镜OMC，可以对伽玛源进行多波段认证。INTEGRAL在伽玛暴研究领域的成名作是低能暴GRB 031203，这次爆发与超新星2003lw成协。此外第一次对爆发的清晰成象（GRB 021125）以及对GRB 041219A的偏振分析也是该卫星较为著名的成果。自从发射以来，INTEGRAL共记录了60余次爆发，总数不算多，但是对于一颗并非专门为伽玛暴设计的卫星来说，考虑有限的星载计算资源和偏小的视场，这已经是不错的成绩了，何况它还在康普顿伽玛射线天文台退役之后、费米伽玛射线空间望远镜发射之前在一定程度上填补了能段空白，星载仪器的高灵敏度还对低光度爆发有着独到的优势。GRB 021125，由INTEGRAL的IBIS拍摄，这是有史以来第一张清晰的伽玛暴图象，也是IBIS第一次爆发探测。（图片提供：ESA）爆发探测之外，INTEGRAL还绘制了511 keV电子湮灭线的全天分布图，进行了铝26、铁60和钛44谱线观测，给出了包含400余个伽玛源的IBIS星表，将银心的伽玛射线弥漫辐射分解成了单个源，还发现了新一类大质量X射线双星。如果没有什么重大机械故障的话，这颗卫星还可以继续服役6年，远远超出了预计的2.2年使用寿命。欧空局主页：http://www.esa.int/SPECIALS/Integral　朱雀：折翼重生朱雀（Suzaku）X射线卫星是日本的第5颗X射线天文卫星，发射前原名Astro-E2，它接替的是2000年入轨失败的Astro-E。虽说卫星的首要研究目标其实是超新星遗迹谱线、高温热气体、活动星系核以及宇宙大尺度结构相关，它对伽玛暴的贡献却着实不少，在本人的印象里，通读过大半年的GCN公告，对其眼熟程度可以说是仅次于雨燕，而官方网站上提供的数据亦是相当可观。考虑雨燕卫星因为能段上限过低往往无法得到伽玛暴谱形全貌，INTEGRAL又不能及时给出谱信息，朱雀以及后文要提到的Konus-WIND的测量更成了不错的参考。朱雀卫星。（图片提供：JAXA）其实这颗卫星也是也命途多舛：2005年7月的发射倒还算顺利，但半个多月之后，真空系统出现严重故障，直接导致星载液氦冷却剂全部挥发，由此主力设备X射线光谱仪XRS无法正常工作。要知道它本来就以高能谱分辨率标榜，如此一来损失不能说不惨重。好在这次波折并没有影响伽玛暴监测系统，折翼的朱雀也得以继续飞行在伽玛射线的天空。朱雀卫星的伽玛暴光变曲线基本如下图所示，一式四份：其中左上与右下两图可以看到明显的流量增加。这几条光变曲线对应的爆发是GRB 090823，不过为什么是如此形式呢？原因也是在于探测器的结构。朱雀的主要仪器有三台，除了前面提到的问题光谱仪，另有X射线成象仪XIS与硬X射线探测器HXD。伽玛暴监测的主力——宽能段全天监视器WAM算不得单独的仪器，只是HXD的反符合屏蔽系统而已。WAM由四组锗酸铋晶体以及光电管组成，分别排列在HXD四周，各称WAM0、WAM1、WAM2和WAM3。一式四份提供的光变曲线，就是WAM的4台子探测器各自的结果。由于子探测器朝向不同，对同一个爆发接收到的流量自然也不同。根据彼此的光子计数差异，还可以还原出暴源的方位。至于几条颜色不同的曲线，则分别表示不同的能段通道，黑、红、绿、蓝依次对应TH0（50-110 keV）、TH1（110-240 keV）、TH2（240-520 keV）和TH3（520-5000 keV）。WAM的结构示意，左为侧视图，右为上视图。（图片来源：Yamaoka et al. 2009）WAM的视野很宽，2π立体角，相当于全天之半；其能段又达到了MeV的量级，可以有效补足雨燕的缺陷，对于伽玛暴监测来说简直再合适不过。唯一的问题是，朱雀卫星没有覆盖全球的地面站支援，只有经过日本本土的内之浦宇宙空间观测所上空时才能进行数据传输，因此无法做到及时响应，也不能有效指导后续观测。至于HXD本身，是一架不能成象的低背景噪声硬X射线探测器，工作在10至600 keV之间，由锗酸铋与硅酸钆晶体组成，灵敏度比先前的任何类似设备都要高一个量级以上。此外能段较软的XIS共有4台CCD照相机，分别放置在4架399毫米直径的掠射望远镜之后。按照最初的设计，4架XIS的整体视场中心与XRS的视场中心吻合。因故停机的XRS也拥有专用的掠射望远镜，光谱仪则要借助多层杜瓦瓶制冷。虽说朱雀卫星的XRS已经无法恢复，有计划是将类似的设备安装到下一代X射线空间望远镜上——毕竟那6.5 eV的能谱分辨率还是很吸引人的。ISAS主页：http://www.astro.isas.ac.jp/astroe/
NASA主页：http://heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/astroe/astroegof.html　AGILE：以小拼大至少在本人的印象中，意大利的X射线/伽玛射线卫星AGILE在伽玛暴的圈子里名气不算小。这种名气来自与费米空间望远镜的并列，毕竟两颗卫星在探测能段和科研目标上有很大的相似之处，甚至主力仪器都采用了类似的结构，因此在讨论的时候将二者相提并论是很自然的事情。不过AGILE看到的爆发并不多，确切的高能探测更是少而又少，只记得有GRB 080514B和GRB 090510两次，其余都是上限，这远少于每年5-10次的预期。AGILE卫星。（图片提供：IASF）这颗2007年发射的卫星给人的第一印象是小，只有区区350千克重。不过它却扎扎实实是麻雀虽小五脏俱全，无论是时间空间还是能谱分辨率都不逊色，而且由于其高能段在30 MeV至50 GeV之间，发射后一度是唯一致力于GeV天体物理学的卫星，直到费米登场。它的高能探测器GRID可以看成是费米大面积望远镜的缩小版，以正负电子对产生原理为基础，由钨层与硅层交替的粒子径迹示踪器组成，视场覆盖全天1/4，分辨率可以达到康普顿EGRET望远镜的两倍，定位精度更是做到了角分级。为了有效记录爆发事件的瞬时辐射，GRID在设计时还特别注重缩短时间延迟。硬X射线（18–60 keV）则由编码掩模结构的Super-AGILE负责，同时它还是瞬变源的触发仪器。除此之外，AGILE另有小型碘化铯量能器MCAL，既可以配合GRID工作，又可以作为额外的触发器。与费米相比，AGILE对于1 GeV以下的光子更在行，费米侧重能量更高的部分，且由于后者探测器面积更大，对弱源有更好的表现。费米基本观测模式是巡天，AGILE是固定指向，每更换一次指向要持续3周左右。而AGILE独有的优势在于同时进行硬X射线观测的能力。AGILE的科研载荷，总重约100千克。（图片来源：Tavani et al. 2006）按说AGILE的配置并不差，一直感觉它没有发挥出应有的潜力来。GRID的灵敏度虽然要比费米低一个量级还多，但是参考EGRET的结果，似乎探测率也不应该低到如此地步，不知道是不是与定点观测的策略有关。本人没有从事过仪器相关的工作，也不便对此妄加推测，只是希望它在将来可以最终达到预期目标，在补足高能数据的同时，也创下属于自己的记录。IASF主页：http://agile.rm.iasf.cnr.it/　WIND：宝刀未老WIND也算是GCN的熟面孔，而且是一张很老的老面孔：1994年11月发射，一直处在环绕日地之间第一拉格朗日点的晕轨道上运行，星体自转轴指向南北黄极。WIND如其名，主要任务是研究太阳风的质量和能量，还是国际日地物理计划的成员。WIND日地关系探测器（左）。（图片提供：NASA）在GCN公告中，WIND是以Konus-WIND的面目出现的。Konus是WIND的伽玛射线瞬变源探测器，由俄罗斯的约飞物理技术研究所（Ioffe Physico-Technical Institute）提供。同时它还是自从1987年美苏恢复太空合作以来，第一台搭载在美国卫星上的俄罗斯仪器。Konus这个名字在伽玛暴观测上的历史非常悠久，最早一批名为Konus的仪器安装在20世纪70年代的金星11/12号和预报号上，当时它们都参与了旨在定位爆发的行星际观测网。然后是金星13/14号、Granat、宇宙系列卫星外加和平号空间站，再然后WIND登场。探测器本身的结构很简单也很经典，碘化钠闪烁体、光电倍增管外加铅质屏蔽层。这样的装置WIND共携带了两架，分别安装在星体上方和下方，各覆盖黄道以南和以北的天空，以保证近似各向同性的全天视野。与朱雀卫星的WAM类似，Konus也是依据不同探测器之间的计数差来确定爆发位置的，精度约为几度。Konus探测器的结构。探测器本体之外，Konus-WIND还配备了美国提供的界面系统，以及用于实时数据处理的星载时序分析仪、脉冲高度分析仪和背景测量系统。对于爆发能谱分析来说，Konus的工作能段是10 keV至10 MeV；时序分析的能段则是10至770 keV，分辨率2毫秒。这一指标在AGILE之前一直是领先的。前面说到INTEGRAL在康普顿之后、费米之前填补了部分能段空白，其实Konus-WIND由于视野更宽发射时间更早，填补的空白更多。而WIND远离地球的轨道在保证探测器拥有平稳天空背景的同时，也使行星际观测网的定位基线得以有效延伸。WIND还携带了另一台伽玛射线瞬变源光谱仪TGRS，分辨率优于Konus，只是工作能段略窄。TGRS还与Konus一道曾为伽玛暴能谱的谱线特征提供了少许证据，但近年的公告中压根没有见过TGRS的影子，个人是怀疑这台设备已经退役，不过对此没有查到官方说法。WIND的其他仪器基本是太阳物理相关，包括三维等离子体分析仪、离子和射电波实验装置、太阳风实验装置等等。Konus和TGRS在伽玛暴监测之外，还可以转作太阳爆发研究之用，所以也不算离WIND的主题太远。不论如何，一颗服役15年的卫星也是相当长寿了，而Konus-WIND的爆发探测率仍旧颇高，这一点也实为不易。NASA主页：http://wind.nasa.gov/　CORONAS-PHOTON：经典重拾CORONAS-PHOTON又叫Koronas-Foton，今年年初刚刚发射，是俄罗斯的Coronas计划继Koronas-F与Koronas-I之后的第三颗卫星，也是“与星同在（Living With a Star）”国际计划的组成部分。与WIND类似，这颗卫星的本来目的也是监测太阳的近地活动，顺便利用其上的高能瞬变源监视仪器来探测伽玛暴。CORONAS-PHOTON卫星。（图片提供：INAF）CORONAS-PHOTON的相关仪器是Konus-RF和RT-2。先说说同样由约飞研究所制造的Konus-RF，它和Konus-WIND基本类似，也是两组碘化钠闪烁体计数器的经典设计，工作能段10 keV至12 MeV。甚至公告中的参数形式也和Konus-WIND一样，如往往以每平方厘米每秒尔格值而非其他卫星的每平方厘米每秒光子数作为爆发峰值的流量。不过Konus-RF计数器的指向是一台对准太阳，另一台对准太阳的反方向。Konus-RF探测器的外观。（图片提供：IAPh MEPhi）RT-2则是印度提供的伦琴望远镜式软伽玛射线光谱仪，主要用于太阳耀斑成象，由叠层闪烁探测器RT-2/S和RT-2/G、固体成象探测器RT-2/CZT以及数据处理系统RT-2/E组成，可以在叠层闪烁（10至150 keV）或分光（0.1至2 MeV）两种模式下工作。RT-2/S和RT-2/G的基本组成都是碘化钠/碘化铯夹层，主要区别是准直器视场；RT-2/CZT的核心组件则是CdZnTe半导体。RT-2现在看到的爆发并不多，而且只提供了爆发的光变曲线，但是并没有给出谱参数。可惜这台仪器的介绍信息并不多，也不清楚今后的计划如何。RT-2/S探测器的外观。（图片提供：TIFR/ICSP/VSSC）ICSP的RT-2主页：http://csp.res.in/rt2-main.html　MAXI：崭露头角MAXI的登场很晚，今年秋天才第一次看到这个名字。其实它不是卫星，而是安装在国际空间站日本实验舱外的全天X射线监测照相机，不过还是把它归入本文。按照设计目标，每96分钟（相当于空间站的轨道周期），MAXI就要对全天1000余个X射线源监测一轮，以图积累数据，研究变源在几天或几个月的时标内的行为。安装在国际空间站上的MAXI。（图片提供：JAXA）MAXI的基本结构是狭缝照相机，分为固体狭缝照相机与气体狭缝照相机两类，前端均为准直器和狭缝。前者的探测器是氙气正比计数器，以碳纤维为阳极，用于2至30 keV的光子探测，共装备12台；后者以制冷CCD为终端，用于0.5至10 keV的光子探测，共2台，每台配有16块CCD芯片。狭缝照相机的优点是结构简单，且成象与天空中的实际位置一一对应，便于分析。MAXI的所有照相机分为两组，分别对准天顶之前与附近的天区，每台气体狭缝照相机可以覆盖160乘1.5度视场，固体狭缝照相机则是90乘1.5度。MAXI的视野。（图片提供：JAXA）MAXI今年8月3日第一次开启，现在气体狭缝照相机只探测到了两次爆发，GRB 090831A和GRB 090926B，探测时都处在仪器调试期内。考虑能段与时间，MAXI探测到的应该是瞬时辐射的X射线部分。至于这台仪器未来会有什么样的表现，拭目以待吧，对于理论研究来说，探测与余辉平台期相关的所谓Prior Emission倒是有希望，这种成分至今还只存在于理论之中。理化学研究所主页：http://maxi.riken.jp/top/
JAXA主页：http://kibo.jaxa.jp/en/experiment/ef/maxi/内容来自 Bo Zhang's Homepage

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