Development of a High-Energy Astrophysics Tracker for the Space Rider Orbital Maiden Flight

Abstract

The detection of gravitational waves (GW) in 2015 by the LIGO detectors marked the beginning of a new chapter in astrophysics: the Multimessenger Astrophysics era. This new way of observing the universe unites observations of multi wavelength light, neutrinos, cosmicrays and GW. This is particularly interesting for the High-energy astrophysics domain where the study of the non-thermal universe, e.g., gamma-ray bursts (GRB), super novae, physics of neutrons stars and black holes, compact object mergers, active galactic nuclei and so on,has now multiple observables to help understand the physics behind such objects/events. The mission presented in this dissertation aims to give the Multimessenger Astrophysics another observable, the gamma-ray light polarization in the energy band 100 keV – 10 MeV, an area that has not yet been properly explored. Light polarization can provide information about the emission mechanisms as well as the source magnetic field geometry. In this work, we present the preliminary design of THOR-SR mission which will be on orbit for 2 months, on board the new reusable vehicle from the European Space Agency (ESA), the Space Rider (SR). A concept of operations is presented together with a detailed timeline of operations which take into account strict observation times that allow the mission to detect GRB, monitor the Crab nebula and record Terrestrial Gamma-ray Flashes (TGF), a still to be understood phenomena. A comprehensive in orbit scientific operation plan that ensures the mission achieves its scientific objectives is defined. Also an in-depth description of the payload products is given together with the demonstration of the Gamma-Ray and Particle detectors’ capabilities. Our study of the expected orbital gamma-ray and particle environment verified that the main mission objectives can be achieved with the data to be downlinked via the SR communication services, despite the limit imposed by the SR team. A preliminary version of the Assembly, Integration, Verification and Testing plan ispresented as well as the results of the tests already performed. The tests conducted on the first development model of the detector showcased an energy resolution of 5.97±0.10% at 511 keV and an intrinsic efficiency of 1.6±0.9% at 511 keV.

A deteção de ondas gravitacionais em 2015 pelos detetores do LIGO marcou o início de um novo capítulo na astrofísica: a era da Astrofísica Multimensageira. Esta nova forma de observar o universo une observações de luz em vários comprimentos de onda, neutrinos, raios cósmicos e ondas gravitacionais. Isso é particularmente interessante para o domínio da astrofísica de altas energias, onde o estudo do universo não térmico, por exemplo, explosões de raios gama (GRB), super novas, física da estrelas de neutrões e buracos negros, fusão de objetos compactos, núcleos ativos de galáxias, têm agora múltiplos observáveis para ajudar a entender a física por de trás objetos/eventos. A missão apresentada nesta dissertação tem como objetivo dar à Astrofísica Multimensageira outro observável, a polarização da luz de raios gama na banda de energia de 100 keV – 10 MeV, uma área que ainda não foi devidamente explorada. A polarização da luz pode fornecer informações sobre os mecanismos de emissão, bem como a geometria do campo magnético da fonte. Nesta dissertação, apresentamos o desenho preliminar da missão THOR-SR, que estará em órbita durante 2 meses a bordo do novo veículo reutilizável da Agência Espacial Europeia (ESA), o Space Rider (SR). Apresentamos o conceito de operações juntamente com uma detalhada sequencia temporal de operações, que leva em consideração tempos de observação estritos que permitem que a missão detete GRB, monitore a nebulosa do Caranguejo e registe Emissões Terrestres de Raios Gama (TGF). É apresentado um plano operacional científico em órbita que garante que a missão atinja seus objetivos científicos. Também é dada uma descrição detalhada dos componentes da experiência, juntamente com a demonstração das capacidades dos detetores de Raios Gama e Partículas. O nosso estudo sobre o ambiente esperado de raios gama e partículas em órbita verificou que os principais objetivos da missão podem ser alcançados com os dados a serem descarregados através dos serviços de comunicação do SR, apesar do limite imposto pela equipa do SR. Uma versão preliminar do plano de Montagem, Integração, Verificação e Teste é apresentada, bem como os resultados dos testes já realizados. Os testes realizados no primeiro modelo de desenvolvimento do detetor mostraram uma resolução de energia de 5.97±0.10% a 511 keV e uma eficiência intrínseca de 1.6±0.9% a 511 keV.