[论文解读] The 2016 Super Pressure Balloon flight of the Compton Spectrometer and Imager

Carolyn Kierans, Steven E. Boggs+12 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2017

Particle Detector Development and Performance被引用 7

一句话总结

2016年超压平流层气球(COSI)任务的飞行实现了46天的中纬度漂浮，首次使用紧凑型康普顿望远镜与高纯度锗探测器对软伽马射线源实现了全天空长时程成像。关键成果包括探测到蟹状星云、天蝎座A、天鹅座X-1、一次明亮的长伽马射线暴（GRB 160530A）以及两次相对论性电子沉降事件——这是首次利用具有偏振敏感特性的成像伽马射线仪器实现此类探测。

ABSTRACT

The Compton Spectrometer and Imager (COSI) is a balloon-borne, soft-gamma ray imager, spectrometer, and polarimeter with sensitivity from 0.2 to 5 MeV. Utilizing a compact Compton telescope design with twelve cross-strip, high-purity germanium detectors, COSI has three main science goals: study the 511 keV positron annihilation line from the Galactic plane, image diffuse emission from stellar nuclear lines, and perform polarization studies of gamma-ray bursts and other extreme astrophysical environments. COSI has just completed a successful 46-day flight on NASA's new Super Pressure Balloon, launched from Wanaka, New Zealand, in May 2016. We present an overview of the instrument and the 2016 flight, and discuss COSI's main science goals, predicted performance, and preliminary results.

研究动机与目标

• 为了成像银河系银心与银道面的511 keV正电子湮灭谱线，解析其空间分布，并与恒星核合成示踪物进行比较。
• 为了绘制放射性同位素（如26Al和60Fe）的弥漫发射，约束其通量比，从而探究大质量恒星与超新星中的核合成过程。
• 为了测量伽马射线暴及致密天体（如蟹状星云和天鹅座X-1）的偏振度，从而揭示辐射机制与磁场结构信息。
• 为了首次利用全天空成像、偏振敏感的伽马射线望远镜研究相对论性电子沉降（REP）事件。
• 为了验证COSI仪器在NASA新型超压平流层气球平台上的性能，为未来超长时程平流层气球科学任务提供支持。

提出的方法

• 利用十二个交叉条纹高纯度锗探测器，通过多次相互作用重建入射光子的能量、作用位置及康普顿散射角度。
• 采用康普顿望远镜几何结构，通过追踪连续的康普顿散射事件与光电吸收事件，确定光子的入射方向。
• 通过康普顿散射的固有偏振响应实现偏振灵敏度，优化于大散射角与低能区。
• 利用356 keV处的模拟有效面积，开展全天空成像与光谱分析，生成46天飞行期间的曝光图。
• 对瞬变事件（如伽马射线暴与微爆发）实施在轨触发与实时分析，并对漏检事件在原始数据中进行后续处理。
• 使用1秒时间分辨率的光 light curves 识别并表征REP事件，包括DREP与微爆发类型。

实验结果

研究问题

• RQ1 银河系银道面中511 keV正电子湮灭谱线的空间分布是否与26Al的分布一致，从而表明其在恒星核合成中具有共同起源？
• RQ2 伽马射线暴与致密天体（如蟹状星云）的偏振度如何？其测量结果如何约束辐射模型与磁场结构？
• RQ3 搭载高能量与角度分辨率的平流层气球康普顿望远镜能否以足够灵敏度成像26Al与60Fe的弥漫核素谱线，并测量其通量比？
• RQ4 在软伽马射线波段中，相对论性电子沉降事件的光谱与时间特征是什么？
• RQ5 中纬度的超长时程平流层气球飞行在多大程度上能够实现具有成像与偏振能力的深空、全天空软伽马射线巡天？

主要发现

• COSI成功在NASA的超压平流层气球上完成了46天的漂浮，创下了中纬度平流层气球任务的时长新纪录。
• 该仪器在软伽马射线波段探测到蟹状星云、天蝎座A与天鹅座X-1，证实了其成像与光谱能力。
• GRB 160530A被COSI探测到，并由Konus-Wind与行星际网络确认，目前正在进行偏振分析以探究辐射机制。
• 观测到两次相对论性电子沉降（REP）事件——包括DREP与微爆发类型——这是首次利用具有偏振敏感特性的全天空伽马射线成像仪实现此类探测。
• 356 keV处的曝光图显示了广泛的天空覆盖范围，使银河系平面与明亮源区域得以实现深度积分。
• 初步的光谱与成像结果显示对弥漫核素谱线具有高灵敏度，目前仍在对511 keV发射与26Al/60Fe通量比进行分析。