[论文解读] 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 3

一句话总结

本论文通过钱德拉X射线天文台上的先进CCD成像光谱仪（ACIS）的定标以及对自转脉冲星的高能观测，推动了X射线天文学的发展。论文提出了一种新颖的“网格”技术，用于非破坏性地实现CCD的亚像素成像，从而精确建模探测效率与复合效应，并利用钱德拉ACIS数据在仙后座A超新星遗迹中心发现了一个此前未被探测到的点源。

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.

研究动机与目标

• 利用未色散的同步辐射和参考标准，对钱德拉X射线天文台上的先进CCD成像光谱仪（ACIS）进行定标。
• 开发并应用一种新颖的“网格”技术，用于非破坏性地测量CCD中的亚像素结构，包括沟道截止和栅极。
• 利用基于网格的实验结果，约束CCD沟道截止中的复合效应。
• 利用ASCA和ROSAT数据，分析自转脉冲星的高能X射线特性，以理解中子星的能量学和辐射机制。
• 研究具有已知最高磁场强度的脉冲星的X射线特性，并将其与异常X射线脉冲星相关联。
• 利用钱德拉ACIS数据研究仙后座A超新星遗迹，以揭示此前未被探测到的点源，并展示ACIS的能力。

提出的方法

• 利用未色散的同步辐射测量并建模用于ACIS定标参考标准的CCD的绝对探测效率。
• 开创性地采用“网格”技术，非破坏性地成像CCD中的亚像素结构（如沟道截止和栅极），实现高分辨率结构分析。
• 分析网格实验结果，约束CCD沟道截止中的复合效应，提升对电荷输运限制的理解。
• 对ASCA和ROSAT观测的三颗年轻自转脉冲星进行光谱和时间分析，以研究其高能辐射特性。
• 获取并分析钱德拉ACIS对仙后座A超新星遗迹的观测，以探测并表征其中心的点源。
• 整合定标实验与天体物理观测结果，以验证ACIS性能并推进中子星物理学研究。

实验结果

研究问题

• RQ1 用于ACIS仪器的CCD的绝对探测效率的关键参数是什么？如何利用同步辐射精确测量这些参数？
• RQ2 如何非破坏性地成像和量化CCD中的亚像素结构（如沟道截止和栅极），以改进探测器建模？
• RQ3 CCD沟道截止中的复合效应在多大程度上影响电荷收集和探测效率？如何通过实验手段加以约束？
• RQ4 对自转脉冲星的高能X射线观测为理解中子星能量学和辐射机制提供了哪些新见解？
• RQ5 利用钱德拉ACIS在仙后座A超新星遗迹中心探测到的点源的性质是什么？它揭示了ACIS性能和超新星遗迹的哪些信息？

主要发现

• 网格技术成功实现了对CCD中亚像素结构（包括沟道截止和栅极）的非破坏性成像，提供了高分辨率的空间表征。
• 利用网格实验数据，约束了CCD沟道截止中的复合效应，提升了电荷输运建模的准确性。
• ACIS对仙后座A超新星遗迹的观测在其中心揭示了一个此前未被探测到的点源，证明了该仪器的高灵敏度和高空间分辨率。
• ASCA和ROSAT对年轻自转脉冲星的高能X射线数据为理解其辐射机制和能量学提供了新见解。
• 对具有已知最高磁场强度的脉冲星的观测显示，其X射线特性与异常X射线脉冲星存在相似之处，暗示可能存在物理关联。
• 基于同步辐射和参考标准的定标框架，实现了对ACIS探测效率的精确建模，提升了仪器在未来观测中的可靠性。