[論文レビュー] X-ray Astronomy with CCDs: Calibration of the Advanced CCD Imaging Spectrometer and Observations of Rotation-powered Pulsars

M. J. Pivovaroff|arXiv (Cornell University)|May 23, 2000

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 3

ひとこと要約

本学位論文は、チャンドラX線望遠鏡のAdvanced CCD Imaging Spectrometer（ACIS）のキャリブレーションおよび回転駆動パルサーの高エネルギー観測を通じて、X線天文学を前進させた。本研究では、CCDの非破壊的サブピクセル像取り込みに向けた新規な「メッシュ」技術を提案し、検出効率および再結合効果の正確なモデル化を可能にした。また、Chandra ACISデータを用いて、カス・エー超新星残骸の中心に以前に検出されていなかった点源を発見した。

ABSTRACT

(ABRIDGED) This dissertation concerns the use of CCDs for for X-ray astronomy. Part I of this thesis focuses on the calibration of the Advanced CCD Imaging Spectrometer (ACIS), one of the two primary focal plane instruments on the Chandra X-ray Observatory. I begin by presenting a series of measurements made using undispersed synchrotron radiation. I analyzed the results of these experiments to extract parameters necessary to model the absolute detection efficiency of CCDs used as reference standards for ACIS characterization. I also discuss a novel "mesh" technique I pioneered to non-destructively measure the sub-pixel structure of CCDs, including the channel stops and gates. Guided by the results of the mesh experiments, I performed additional measurements to constrain recombination effects in the channel stops. Part II of this thesis concerns the X-ray properties of rotation- powered (radio) pulsars. High energy observations serve as a powerful diagnostic of the energetics and emission mechanisms of neutron stars. I analyze ASCA and ROSAT observations of three young pulsars which are particularly well-suited for addressing these issues. I also present observations of the rotation-powered pulsar with the highest known magnetic field, and describe how the results relate to anomalous X-ray pulsars, another type of neutron star. Finally, I analyze Chandra observations of the supernova remnant Cas A. These data fully demonstrate the capabilities of ACIS and reveal a previously unknown point source at the center of the remnant.

研究の動機と目的

• 未分散のシンクロトロン放射および基準標準を用いて、チャンドラX線望遠鏡のAdvanced CCD Imaging Spectrometer（ACIS）のキャリブレーションを行う。
• CCD内のサブピクセル構造（チャネルストップやゲートなど）を非破壊的に測定するための新規な「メッシュ」技術を開発・適用する。
• メッシュに基づく実験の結果を用いて、CCDのチャネルストップにおける再結合効果を制約する。
• ASCAおよびROSATのデータを用いて、回転駆動パルサーの高エネルギーX線特性を分析し、中性子星のエネルギー供給および放射メカニズムを理解する。
• 既知の磁場が最大のパルサーのX線的特徴を調査し、異常X線パルサーと関連付ける。
• Chandra ACISデータを用いてカス・エー超新星残骸を研究し、以前に検出されていなかった点源を明らかにするとともに、ACISの性能を実証する。

提案手法

• 未分散のシンクロトロン放射を用いて、ACISキャリブレーションの基準標準として用いられるCCDの絶対的検出効率を測定・モデル化した。
• CCD内のチャネルストップやゲートなどのサブピクセル構造を非破壊的に像取り込み可能な「メッシュ」技術を考案し、高分解能な構造解析を可能にした。
• メッシュ実験の結果を分析して、CCDのチャネルストップにおける再結合効果を制約し、電荷輸送制限の理解を向上させた。
• ASCAおよびROSATの観測データを用いて、3つの若い回転駆動パルサーのスペクトル的および時間的特性を分析し、その高エネルギー放射特性を研究した。
• カス・エー超新星残骸のChandra ACIS観測データを取得・分析し、その中心部に存在する点源を検出・特徴付けた。
• キャリブレーション実験と天体物理学的観測の結果を統合し、ACISの性能を検証するとともに、中性子星物理学を前進させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ACIS機器に用いられるCCDの絶対的検出効率を支配する主要なパrameterは何か。また、シンクロトロン放射を用いてそれらをどのように正確に測定できるか。
• RQ2 チャネルストップやゲートなどのCCDのサブピクセル構造を、非破壊的にどのように像取り込み・定量化できるか。
• RQ3 CCDのチャネルストップにおける再結合効果が、電荷収集および検出効率に及ぼす影響はどの程度で、実験的にどのように制約できるか。
• RQ4 回転駆動パルサーの高エネルギーX線観測から得られる知見は、中性子星のエネルギー供給および放射メカニズムにどのような洞察をもたらすか。
• RQ5 Chandra ACISを用いてカス・エー超新星残骸の中心に検出された点源の性質は何か。また、ACISの性能と超新星残骸の性質を明らかにする上で何を示唆するか。

主な発見

• メッシュ技術により、CCDのチャネルストップやゲートを含むサブピクセル構造の非破壊的像取り込みが成功し、高分解能な空間的特徴化が可能になった。
• メッシュ実験のデータを用いて、CCDのチャネルストップにおける再結合効果が制約され、電荷輸送モデルの精度が向上した。
• ACISによるカス・エー超新星残骸の観測で、中心部に以前に検出されていなかった点源が発見され、この望遠鏡の高い感度および空間分解能が実証された。
• ASCAおよびROSATによる若い回転駆動パルサーの高エネルギーX線データは、その放射メカニズムおよびエネルギー供給に関する新たな知見を提供した。
• 既知の磁場が最大のパルサーが観測され、そのX線的特徴が異常X線パルサーと類似していることが判明し、物理的関連性の可能性が示唆された。
• シンクロトロン放射および基準標準に基づくキャリブレーションフレームワークにより、ACISの検出効率の正確なモデル化が可能になり、将来的な観測における機器の信頼性が向上した。