[論文レビュー] A systematic analysis of the XMM-Newton background: IV. Origin of the unfocused and focused components

F. Gastaldello, S. Ghizzardi+7 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 27被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、17年間のEPICデータと放射線モニタ（ERM）測定値を分析することで、XMM-NewtonのEPIC機器背景の起源を特定した。非焦点化粒子背景は、太陽活動周期によって調整される銀河宇宙線に起因することが確認された一方、焦点化されたソフトプロトン背景は、ERMデータと相関がない複雑で非一様な挙動を示し、複数の加速地点と、ERMの検出限界（8–40 MeV）以下のエネルギーを持つことを示唆している。

ABSTRACT

We show the results obtained in the FP7 European program EXTraS and in the ESA R&D ATHENA activity AREMBES aimed at a deeper understanding of the XMM-Newton background to better design the ATHENA mission. Thanks to an analysis of the full EPIC archive coupled to the information obtained by the Radiation Monitor we show the cosmic ray origin of the unfocused particle background and its anti-correlation with the solar activity. We show the first results of the effort to obtain informations about the particle component of the soft proton focused background.

研究の動機と目的

• XMM-NewtonのEPIC機器における非焦点化および焦点化粒子背景成分の起源を特定すること。
• EPIC背景と銀河宇宙線（GCR）の太陽調整との関係を特定すること。
• 望遠鏡のミラーによって焦点化されるソフトプロトンが、機器背景に与える寄与を評価すること。
• EPIC放射線モニタ（ERM）がソフトプロトン成分を検出する際の限界を評価すること。
• 特にアテナミッションを含む将来のX線ミッションの設計を支援するため、背景モデルの改善を図ること。

提案手法

• EPIC XMM-Newtonアーカイブ全般（17年間の観測）と放射線モニタ（ERM）データの分析。
• 視野外（outFOV）の検出器領域を、静止状態の非X線背景（NXB）の代理として用い、同時に背景を測定可能とした。
• inFOVとoutFOVの計数率差を、ACE宇宙船のプロトンフラックス測定値（LEMS120 P2'チャンネル）と比較し、相関を特定した。
• ERM HES0カウントとEPIC背景レートの間の相関強度を定量化するために、統計的検定（スピアマンのρおよびケンダールのτ）を適用した。
• 太陽高エネルギー粒子（SEP）イベント中、地球のバッシュ・シャックの外側にXMM-Newtonがいた時間帯を選択し、磁気圏の干渉を最小限に抑えた。
• 高エネルギーGCRからのノックオン電子の物理的起源を解釈するために、Geant4シミュレーションを用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 XMM-NewtonのEPIC検出器における非焦点化粒子背景の主な起源は何か？
• RQ2 焦点化されたソフトプロトン背景は、太陽活動および測定されたプロトンフラックスとどのように相関するか？
• RQ3 なぜERM HES0カウントレートとinFOV - outFOV EPIC背景レートの間に相関がないのか？
• RQ4 焦点化背景に寄与するソフトプロトンのエネルギーおよび空間的特性は何か？
• RQ5 磁気圏の影響は、太陽イベント中のソフトプロトンの伝播および検出にどのように作用するか？

主な発見

• EPICにおける非焦点化粒子背景は、主に銀河宇宙線（GCR）に起因し、11年周期の太陽活動と明確な逆相関を示す。
• 焦点化されたソフトプロトン背景は、ERM HES0データと有意な相関がない（スピアマンのρ = -0.07、ケンダールのτ = -0.048）ため、関係するプロトンはERMの8–40 MeV検出限界以下のエネルギーであると示唆される。
• 19–28 October 2001のSEPイベントの詳細な分析から、3つの明確な光度曲線セグメントが特定された：強い相関、部分的相関、および相関なし。これは、複雑な磁気圏調制を示唆している。
• 13のSEPイベント中、XMM-Newtonがバッシュ・シャックの外側にいた534.5 ksのデータでも、ERMとEPIC背景間に明確な相関は得られなかった。これは、衛星の磁場に対する相対的方位がプロトンフラックスに顕著に影響することを示唆している。
• Geant4シミュレーションにより、高エネルギーGCRからのノックオン電子が背景を支配していることが確認された。これは、将来のミッションにおける緩和戦略の必要性を裏付けている。
• 焦点化されたソフトプロトン成分は、多様な加速地点とエネルギー分布を示し、複雑で空間的に変動する背景成分である。