[論文レビュー] The temporal characteristics of the Chandra X-ray Observatory high energy particle background

Catherine E. Grant, Mark W. Bautz+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2002

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、チャンドラX線望遠鏡のACIS機器における高エネルギー粒子背景の時間的挙動を分析し、15 keVを超える高エネルギーイベントレートを用いて粒子由来の背景を分離している。地球の地磁気環境を通過するチャンドラの軌道運動に起因する準年齢のフレア周期を同定し、特に近地点付近および真夜中〜日没セクターでフレアが最も頻発することを明らかにした。これにより、天体物理学的データ解析における背景モデルの改善が可能となった。

ABSTRACT

It was observed early on in the Chandra X-ray Observatory mission that the background rates of the Advanced CCD Imaging Spectrometer (ACIS) were highly variable on both short and long timescales. We present analysis of lightcurves of the high energy (> 15 keV) ACIS background spanning most of the mission lifetime. These high energy events are not produced by astrophysical X-rays, but by the particle background, primarily energetic protons. Temporal characteristics of both the quiescent background and background flares will be discussed as well as correlations with Chandra's orbital position and the solar activity cycle. The strength and frequency of background flares appear cyclic with a quasi-annual period, most likely from the motion of Chandra's orbit through the geomagnetic environment.

研究の動機と目的

• チャンドラX線望遠鏡のACIS機器における高エネルギー粒子背景の時間的変動を特徴づけること。
• 背景フレアの原因および駆動要因を特定し、特に軌道位置および太陽活動との相関関係を解明すること。
• 天体物理学的X線信号から粒子由来イベントを分離することで、天体物理学的データ解析のための背景モデルを改善すること。
• 地磁気環境および太陽活動が背景レートの変動に与える影響を定量化すること。
• 機器の設定および軌道高度がフレア頻度および強度に与える影響を評価すること。

提案手法

• 飛行ソフトウェareによって拒否され、テレメトリーされない高エネルギーイベントレート（>15 keV）を用い、天体物理学的源からの汚染を回避した。
• チャンドラミッションの大部分にわたる5分間隔の高エネルギー拒否レートのライトカーブを分析し、静穏背景とフレアイベントを同定した。
• ACE SIS機器（E > 10 MeVおよびE > 30 MeV）のプロトンフラックスデータとACIS背景レートを相関させ、背景を宇宙線および太陽粒子活動と関連づけた。
• 高度のバケットを用いてフレア頻度を軌道高度ごとにマッピングし、放射線帯への浸透効果を評価した。
• フレア発生を地心太陽磁気（GSM）座標系に投影し、地球の磁気圏との空間的相関を調査した。
• 撮影、グレーティング、キャリブレーションなどの異なる機器設定におけるフレア発生確率を評価し、粒子の透過深さおよび発生メカニズムを分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 チャンドラのACIS検出器における高エネルギー粒子背景の時間的挙動は、ミッション期間を通じてどのように変化するか？
• RQ2 背景フレアは、特に放射線帯付近で、チャンドラの軌道位置および高度とどのように相関するか？
• RQ3 地球の公軌道および地磁気環境と関連したフレア頻度の周期的変調は存在するか？
• RQ4 静穏背景は宇宙線によってどれほど駆動されており、太陽活動周期に伴いどのように変化するか？
• RQ5 異なる機器設定は、背景フレアの発生確率および強度にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 静穏状態の高エネルギー背景は打ち上げ時から2000年代後半まで低下し、現在はゆっくり回復している。これは11年周期の太陽活動およびヘリオスフィア磁場強度の変化と相関している。
• 背景フレアは準年齢の周期性を示し、特に地心太陽磁気（GSM）座標系におけるチャンドラの軌道位置と強く相関しており、真夜中〜日没セクター（X_GSM < 0, Y_GSM > 0）でピークに達する。
• 100,000 km未満の高度では、100,000 km以上の高度よりもフレアが3倍以上頻発しており、地球の放射線帯への近接性と強い相関があることが示された。
• ACIS+HETG設定では、2001年4月19日の1件のフレアが支配的であり、X14クラスの太陽フレアおよびコロナル・マス・エジェクションと関連しており、極めて強いフレアは外部の太陽的要因に起因することが示唆された。
• 弱いフレアはGSMセクターと強く相関しないが、3σを超える強いフレアは真夜中〜日没地域で顕著に頻発しており、局所的な地磁気構造が原因である可能性がある。
• フレアはACIS撮影設定で最も顕著に観測され、これは大多数のフレアが弱く透過する粒子由来であることを示唆している。一方、遮蔽を貫通する硬いイベントは特定の太陽イベントと関連している。