[論文レビュー] Timing with the EPIC pn Camera of XMM-Newton

M. Kuster, E. Kendziorra+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2002

Calibration and Measurement Techniques被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、XMM-NewtonのEPIC pnカメラの高時間分解能性能を評価し、X線パulsarにおけるミリ秒級の時間精度を実証している。読み出しモード、電子的チョッパー、カウントモードに起因する深刻な制限要因が特定され、これらはアリーアスィングを引き起こし、特にバーストモードおよび明るい源の観測において時間分解能を著しく低下させる。

ABSTRACT

The EPIC pn CCD camera on board of XMM-Newton is designed to perform high throughput imaging and spectroscopy as well as high resolution timing observations in the energy range of 0.1-15 keV. A temporal resolution of milliseconds or microseconds, depending on the instrument mode and detector, is outstanding for CCD based X-ray cameras. In order to calibrate the different observing modes of the EPIC pn CCD, XMM-Newton observations of the pulsars PSR B1509-58, PSR B0540-69 and the Crab were performed during the calibration and performance verification phase. To determine the accuracy of the on board clock against Coordinated Universal Time (UTC), PSR B1509-58 was observed simultaneously with XMM-Newton and RXTE in addition. The paper summarizes the current status of the clock calibration.

研究の動機と目的

• XMM-Newtonの性能検証期間中のEPIC pnカメラの時間分解能および時間精度を評価すること。
• RXTEと同時観測を用いて、PSR B1509-58を対象に、搭載時計をUTC基準に校正すること。
• 高時間分解能モードにおける時間分解能の低下を引き起こす機器的および観測的制約要因を同定すること。
• 電子的チョッパー、カウントモードなどの検出器設定が、パワースペクトル密度（PSD）およびQPO検出可能性に与える影響を定量化すること。
• 実用的制限を踏まえたEPIC pnカメラを用いた時間測定観測の最適化に関する観測者への指針を提供すること。

提案手法

• 高速読み出しモード（タイムイング：29.56 μs分解能、バースト：7.2 μs分解能）を用いて、X線時間測定における高時間分解能を達成した。
• XMM-NewtonとRXTEを用いたミリ秒パulsar（PSR B1509-58、PSR B0540-69、カブ）の同時観測を実施し、相互校正を実施した。
• OBTからUTCへの時間補正に多項式フィットを適用し、TDBに変換するためSASツール「barycen」を用いたバーリセントリック補正を実施した。
• QPOのモデル化と読み出しサンプリングに起因するアリーアスィング効果の評価を目的に、ポisson的ノイズとAR[2]プロセスを用いたスペクトルのシミュレーションを実施した。
• 実観測（例：Rev. 0056におけるカブ）のPSDを分析し、電子的チョッパー（N=25設定）およびカウントモードに起因する歪みを特定した。
• XMM科学解析システム（SAS）を用いて、CCD上での源位置と読み出しモードに応じたイベント時刻補正を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 EPIC pnカメラの高速読み出しモードにおける達成可能な時間分解能は何か？また、CCD上での源位置にどのように依存するか？
• RQ2 XMM-Newtonの搭載時計はUTCに対してどの程度正確か？また、時間校正における現在の不確実性は何か？
• RQ3 読み出しモード（例：バーストモード）がサンプリング効果によって、準周期的振動（QPO）の検出可能性をどの程度低下させるか？
• RQ4 電子的チョッパー設定およびカウントモードは、高計数率観測における時間分解能の低下とパワースペクトルの歪みをどのように引き起こすか？
• RQ5 EPIC pnカメラを用いた高精度時間測定観測における実用的制限は何か？また、それらをどのように緩和できるか？

主な発見

• EPIC pnカメラはバーストモードで7.2 μs、タイムイングモードで29.56 μsの時間分解能を達成しており、最適な分解能はCCD上での源位置に依存する。
• EPIC pnおよびMOSカメラの内部タイミングは期待通りに機能しているが、現在の時間精度はΔP/P ≈ 10⁻⁶に限定されており、目標のΔP/P ≈ 10⁻⁸に達していない。
• バーストモードでは、サンプリング周波数がQPOの上位周波数を完全にマスキングし、深刻なアリーアスィングにより検出不能となる。
• 電子的チョッパー（N=25設定）は、10 Hz以上で強いノイズ成分を引き起こし、高周波数時間解析を著しく劣化させる。
• カウントモードは準周期的なデッドタイム窓を導入し、低周波数帯域でPSDを歪め、0.2 Hz未満に広いピークが観測される。
• リビニングは分解能損失を緩和できるが、本質的に有効時間分解能を低下させるため、高精度時間測定には不適切な解決策である。