硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星科學(xué)觀測應(yīng)用初步評價

賈淑梅 黃躍 馬想 屈進(jìn)祿 宋黎明 張澍 鄭世界 葛明玉

(中國科學(xué)院高能物理研究所,北京 100049)

硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡(HXMT)衛(wèi)星[1]于2017年6月15日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射,現(xiàn)已順利在軌運(yùn)行1年多。HXMT衛(wèi)星包括高能、中能和低能望遠(yuǎn)鏡3個主要有效載荷。其主要科學(xué)目標(biāo)是:①通過對銀道面、銀心和核球的大天區(qū)掃描巡天和監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)新的高能變源和已知高能天體的新活動;②通過對河內(nèi)黑洞和中子星進(jìn)行長期高頻次監(jiān)測,理解黑洞和中子星系統(tǒng)的活動和演化機(jī)制;③通過對高流強(qiáng)河內(nèi)黑洞和中子星進(jìn)行高統(tǒng)計量觀測,理解吸積黑洞和中子星系統(tǒng)的基本性質(zhì);④利用其擴(kuò)展到200 ke V～3 Me V能區(qū)的探測能力,獲得新的伽馬射線暴及其他爆發(fā)現(xiàn)象的能譜和時變觀測數(shù)據(jù),理解高能劇烈爆發(fā)天體的基本屬性,研究宇宙深處大質(zhì)量恒星的死亡及中子星并合等過程中黑洞的形成。

HXMT衛(wèi)星的科學(xué)觀測受衛(wèi)星軌道、空間環(huán)境、觀測目標(biāo)源等多種約束條件的限制,且衛(wèi)星不同工作模式(例如定點(diǎn)、小天區(qū)和巡天)具有不同的觀測約束。因此,合理規(guī)劃科學(xué)觀測、提高觀測效率,充分利用衛(wèi)星壽命期間的有效工作時間,是衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)其科學(xué)目標(biāo)、獲得科學(xué)成果的重要保障。HXMT衛(wèi)星科學(xué)觀測規(guī)劃,綜合考慮了太陽避免角、地球遮擋、南大西洋異常(SAA)區(qū)和月球影響,在保證衛(wèi)星安全運(yùn)行的前提下,使得觀測效率最高,即實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星有效觀測時間最長[2-4]。

HXMT衛(wèi)星具有能量覆蓋范圍寬(1～250 keV)、視場大、有效觀測面積大的特點(diǎn)。本文概述了HXMT衛(wèi)星在軌1年多的觀測情況,并重點(diǎn)介紹了衛(wèi)星在銀道面掃描、X射線雙星及伽馬射線暴研究等方面已初步取得的科學(xué)成果。

1 觀測情況概述

目前,HXMT衛(wèi)星已完成了對核心科學(xué)目標(biāo)源的觀測,包括:全銀道面掃描、脈沖星、超新星遺跡、黑洞雙星、中子星雙星、河外天體源和空天區(qū)。表1為HXMT衛(wèi)星第1年度(2017年6月15－2018年6月15日)的觀測統(tǒng)計情況。結(jié)果顯示:HXMT衛(wèi)星已對45個核心目標(biāo)天體進(jìn)行了多輪次定點(diǎn)觀測,有效曝光時間約14 Ms;對銀道面全部22個區(qū)域進(jìn)行了458次小天區(qū)掃描觀測,掃描時間約5 Ms;對脈沖星Crab天區(qū)進(jìn)行了9次小天區(qū)掃描觀測,掃描時間約550 ks。

表1 HXMT衛(wèi)星第1年度觀測源信息統(tǒng)計Table 1 Observed sources of HXMT satellite in the first year

2 初步科學(xué)成果

HXMT衛(wèi)星的科學(xué)成果涵蓋很多方面[5],包括:銀道面掃描及X射線源的監(jiān)測、黑洞和中子星雙星的時變與能譜分析、伽馬射線暴和引力波電磁對應(yīng)體的觀測、多波段聯(lián)合觀測,以及脈沖星觀測和脈沖星導(dǎo)航試驗(yàn)等。

2.1 銀道面掃描及X射線源的監(jiān)測

銀河系內(nèi)X射線源多數(shù)是變源,并且處于銀道面上。對銀道面進(jìn)行巡天觀測,監(jiān)測已知源的光變、發(fā)現(xiàn)已知源新的爆發(fā)現(xiàn)象和新源的爆發(fā),以及新類型的硬X射線輻射源,是HXMT衛(wèi)星的主要科學(xué)目標(biāo)之一。

截至2018年6月15日,HXMT衛(wèi)星對銀道面全部22個區(qū)域進(jìn)行了458次小天區(qū)掃描,曝光情況見圖1。對192個爆發(fā)源和變源進(jìn)行了流量演化情況監(jiān)測,詳細(xì)結(jié)果發(fā)布在HXMT衛(wèi)星官方網(wǎng)站(http://www.hxmt.org/index.php/dataan/sourcelist),監(jiān)測源在銀道面上的分布見圖2。以Swift J0243.6＋6124為例,圖3分別給出了其高能、中能和低能望遠(yuǎn)鏡能區(qū)上計數(shù)率的變化情況。

圖1 HXMT衛(wèi)星對銀道面的曝光圖Fig.1 Exposure map of galactic plane observed by HXMT satellite

圖2 監(jiān)測源在銀道面上的分布Fig.2 Distribution of monitoring sources in galactic plane

圖3 HXMT衛(wèi)星對Swift J0243.6＋6124的計數(shù)率Fig.3 Count rate of Swift J0243.6＋6124 monitored by HXMT satellite

2.2 黑洞和中子星雙星的時變與能譜分析

利用HXMT衛(wèi)星的寬能區(qū)優(yōu)勢,可系統(tǒng)研究黑洞和中子星X射線雙星爆發(fā)演化,理解黑洞和中子星的基本性質(zhì),研究視界附近吸積盤的行為,研究磁球性質(zhì)并測量中子星表面磁場強(qiáng)度。HXMT衛(wèi)星已完成了對10個黑洞X射線雙星和26個中子星X射線雙星的觀測,其中包括MAXI J1535－571、Swift J0243.6＋6124、Swift J1658.2－4242、MAXI J1820＋070等新源。

在對MAXI J1535－571的觀測中,硬度、均方根(RMS)以及準(zhǔn)周期震蕩(QPO)顯示了顯著的轉(zhuǎn)變特征,表明在觀測過程中該源經(jīng)歷了由低硬態(tài)到硬中間態(tài)、最后進(jìn)入軟中間態(tài)的轉(zhuǎn)換(見圖4)。圖5為望遠(yuǎn)鏡探測到的低頻QPO。利用高能望遠(yuǎn)鏡在高能段有效觀測面積大的優(yōu)勢,首次給出了30 keV以上QPO的演化性質(zhì)。

HXMT衛(wèi)星對中子星X射線雙星的觀測也取得重要觀測成果。高能望遠(yuǎn)鏡的有效面積很大,可以研究吸積脈沖星的更高能量(大于50 ke V)的回旋吸收線;在Swift J0243.6＋6124的爆發(fā)期間,探測到其不同能段的脈沖輪廓演化(見圖6);確認(rèn)了著名的中子星X射線雙星Her X-1回旋吸收線能量在經(jīng)過20年的下降之后開始增高的現(xiàn)象[6-7]。

圖4 HXMT衛(wèi)星觀測的MAXI J1535－571爆發(fā)演化的硬度-強(qiáng)度圖和硬度-RMS圖Fig.4 Hardness-intensity diagram and hardness-RMS diagram of MAXI J1535－571 observed by HXMT satellite

圖5 望遠(yuǎn)鏡探測到的MAXI J1535－571低硬態(tài)的低頻QPOFig.5 Low frequency QPOs detected by telescopes from MAXI J1535－571

圖6 新的中子星X射線雙星Swift J0243.6＋6124爆發(fā)期間的脈沖輪廓演化Fig.6 Pulse profile evolution of neutron star Swift J0243.6＋6124 during outburst

2.3 伽馬射線暴和引力波電磁對應(yīng)體的觀測

伽馬射線暴是在全天隨機(jī)出現(xiàn)的高能爆發(fā)現(xiàn)象,其瞬時輻射的能譜可從千電子伏特延展到10 MeV以上。HXMT衛(wèi)星因視場大(除被地球遮擋的部分天區(qū)外均可探測)、面積大(約5000 cm2)、探測能區(qū)寬(200 keV～10 MeV)、能量分辨率較高,有利于發(fā)現(xiàn)短硬暴及進(jìn)行伽馬射線暴的時變和能譜研究。圖7顯示了HXMT衛(wèi)星的高能望遠(yuǎn)鏡、“費(fèi)米”(Fermi)衛(wèi)星的伽馬射線暴監(jiān)測儀(GBM)和“國際伽馬射線天體物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室”(INTEGRAL)衛(wèi)星的伽馬射線能譜儀(SPI-ACS)對GRB170921C探測的光變曲線,HXMT衛(wèi)星的高能望遠(yuǎn)鏡對該暴的探測顯著性達(dá)到12,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Fermi衛(wèi)星的GBM(顯著性為8)和INTERGRAL衛(wèi)星的SPI-ACS(顯著性為4)。

截至2018年5月底,HXMT衛(wèi)星共探測到100個伽馬射線暴(其中包含27個短爆),并在伽馬射線暴坐標(biāo)網(wǎng)絡(luò)(GCN)上公開發(fā)布了39個通告。HXMT衛(wèi)星對伽馬射線暴的發(fā)現(xiàn)率超過100個/年,已成為國際上發(fā)現(xiàn)率最高的伽馬射線暴探測衛(wèi)星之一。

2017年8月17日,世界上首次發(fā)現(xiàn)了雙中子星并合引力波事件GW170817,因?yàn)樵撘Σㄊ录哂袠O為重要的意義,天文學(xué)家利用大量的地面和空間望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測,形成了一場天文學(xué)歷史上極為罕見的全球規(guī)模的聯(lián)合觀測。HXMT衛(wèi)星在GW170817發(fā)生前后,監(jiān)測到全部的Fermi衛(wèi)星GBM定位區(qū)域和引力波探測器定位區(qū)域,以及最終認(rèn)證的光學(xué)對應(yīng)體(SSS17a)位置區(qū)域,如圖8(a)所示;其觀測結(jié)果如圖8(b)所示,光變曲線在GW170817并合時刻及GRB170817A觸發(fā)時刻附近都沒有探測到顯著的超出。對GRB170817A觸發(fā)及其先兆和延展輻射的上限估計,如圖9所示[8]。

圖7 HXMT衛(wèi)星的高能望遠(yuǎn)鏡、Fermi衛(wèi)星的GBM和INTEGRAL衛(wèi)星的SPI-ACS探測到的GRB170921CFig.7 GRB170921C detected by high energy telescope of HXMT satellite,Fermi/GBM and INTEGRAL/SPI-ACS

圖8 HXMT衛(wèi)星對GW170817事件的監(jiān)測天區(qū)和引力波出現(xiàn)及伽馬射線暴觸發(fā)期間高能望遠(yuǎn)鏡的光變曲線Fig.8 Sky region of GW170817 monitored by HXMT satellite and light curve of high energy telescope around gravitational wave merger and GRB trigger

2.4 多波段聯(lián)合觀測

HXMT衛(wèi)星在軌運(yùn)行以來與國外多顆空間X射線望遠(yuǎn)鏡及國內(nèi)外地面射電、光學(xué)望遠(yuǎn)鏡,包括歐洲的“牛頓”(XMM-Newton)衛(wèi)星和INTEGRAL衛(wèi)星、美國的“雨燕”(Swift)衛(wèi)星和“核分光望遠(yuǎn)鏡陣列”(NuSTAR)衛(wèi)星,以及意大利的“梅迪奇納”(Medicina)射電望遠(yuǎn)鏡、日本的多個射電望遠(yuǎn)鏡、中國新疆天文臺南山射電望遠(yuǎn)鏡、上海天文臺天馬射電望遠(yuǎn)鏡、云南天文臺2.16 m光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、國家天文臺興隆觀測站光學(xué)望遠(yuǎn)鏡等,對Crab脈沖星、黑洞或黑洞候選體(GRS 1915＋105,Swift J1658.2－4242,MAXI J1820＋070,Granat 1716－249等),以及中子星雙星(Her X-1,GX 301－2,Swift J0243.6＋6124等)開展了多波段聯(lián)合觀測。

上述聯(lián)合觀測改進(jìn)了HXMT衛(wèi)星的標(biāo)定工作,并取得了一些科學(xué)成果。例如,HXMT衛(wèi)星與INTEGRAL衛(wèi)星和NuSTAR衛(wèi)星對Her X-1進(jìn)行了聯(lián)合觀測,檢驗(yàn)和改善了HXMT衛(wèi)星的能量標(biāo)定。HXMT衛(wèi)星與射電望遠(yuǎn)鏡對Crab脈沖星的聯(lián)合觀測,證實(shí)了HXMT衛(wèi)星具有良好的計時觀測精度;HXMT衛(wèi)星與X射線衛(wèi)星的聯(lián)合觀測,得到了Crab脈沖星的脈沖能譜,從而對HXMT衛(wèi)星的儀器響應(yīng)進(jìn)行了標(biāo)定。此外,利用獲得的Crab脈沖星多波段觀測數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)Crab脈沖星最大的周期躍變期間存在自旋加速現(xiàn)象。

2.5 脈沖星觀測和脈沖星導(dǎo)航試驗(yàn)

HXMT衛(wèi)星對多顆脈沖星,特別是對Crab、PSR B1509－58、PSR B0540－69這3顆可用于導(dǎo)航試驗(yàn)的脈沖星進(jìn)行了觀測,建立了這3顆脈沖星的標(biāo)準(zhǔn)脈沖輪廓和自轉(zhuǎn)演化模型。

2017年9月30日－10月4日,HXMT衛(wèi)星對Crab脈沖星進(jìn)行了連續(xù)5天的觀測,共探測到6.5億個有效光子事例,其中來自Crab脈沖星的脈沖光子數(shù)3410萬個。利用此次觀測開展了基于Crab的單脈沖星自主定軌試驗(yàn)?；谝呀⒌男滦蛯?dǎo)航算法“脈沖輪廓顯著性分析與軌道動力學(xué)融合方法”,利用高能、中能和低能望遠(yuǎn)鏡的觀測數(shù)據(jù)分別成功實(shí)現(xiàn)了對HXMT衛(wèi)星軌道的確定。結(jié)合3臺望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù),進(jìn)一步提高了導(dǎo)航定軌精度,位置精度達(dá)到10 km(3σ),速度精度達(dá)到10 m/s(3σ)。

3 結(jié)束語

HXMT衛(wèi)星在軌運(yùn)行1年多,已完成了核心科學(xué)目標(biāo)觀測任務(wù)。通過對觀測數(shù)據(jù)的分析,HXMT衛(wèi)星在銀道面掃描、黑洞和中子星X射線雙星時變與能譜分析、伽馬射線暴和引力波電磁對應(yīng)體研究,以及脈沖星導(dǎo)航試驗(yàn)等方面獲得了初步的科學(xué)成果。后續(xù),HXMT衛(wèi)星將在黑洞與中子星研究、伽馬射線暴探測,以及銀河系內(nèi)新源和變源的監(jiān)測方面發(fā)揮重要作用。

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