[论文解读] 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 3

一句话总结

本文分析了钱德拉X射线天文台ACIS仪器中高能粒子背景的时间行为，利用高于15 keV的高能事件率来隔离粒子引起的背景。研究识别出与钱德拉轨道运动穿过地球磁层环境相关的准年周期耀斑活动，耀斑在近地点附近及午夜至黄昏区最为频繁，从而为天体物理学数据分析提供了改进的背景建模。

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.

研究动机与目标

• 表征钱德拉X射线天文台ACIS仪器中高能粒子背景的时间可变性。
• 确定背景耀斑的起源与驱动因素，特别是其与轨道位置和太阳活动的相关性。
• 通过将粒子引起的事件与天体物理学X射线信号分离，改进天体物理学数据的背景建模。
• 量化地磁环境与太阳周期对背景率波动的影响。
• 评估仪器配置与轨道高度对耀斑频率与强度的影响。

提出的方法

• 使用S3 CCD采集的高于15 keV的高能事件率，这些事件被飞行软件拒绝且未上行传输，以避免天体物理源的污染。
• 对钱德拉任务大部分时间内的5分钟时间分辨率高能拒收率光 lightcurves 进行分析，识别出平静背景与耀斑事件。
• 将ACIS背景率与ACE SIS仪器的质子通量数据（E > 10 MeV 与 E > 30 MeV）进行相关分析，以建立背景与宇宙射线及太阳粒子活动的关联。
• 将耀斑频率与轨道高度关联，使用高度分箱评估辐射带穿透效应。
• 将耀斑发生情况投影至地心太阳磁坐标（GSM）系，研究其与地球磁层的空间相关性。
• 评估不同仪器配置（成像、光栅、校准）下的耀斑概率，以隔离粒子穿透深度与源机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在任务全周期内，钱德拉ACIS探测器中高能粒子背景的时间行为如何？
• RQ2 背景耀斑与钱德拉轨道位置及高度（尤其是辐射带附近）的相关性如何，特别是？
• RQ3 耀斑频率是否存在与地球轨道及地磁环境相关的周期性调制？
• RQ4 平静背景在多大程度上由宇宙射线驱动，其随太阳周期如何变化？
• RQ5 不同仪器配置如何影响背景耀斑的发生概率与强度？

主要发现

• 平静高能背景自发射以来持续下降，直至2000年底，目前正缓慢恢复，与11年太阳周期及日球磁场强度变化相关。
• 背景耀斑表现出准年周期性，与钱德拉在地心太阳磁（GSM）坐标系中的轨道位置强相关，峰值出现在午夜至黄昏区（X_GSM < 0, Y_GSM > 0）。
• 在100,000公里以下高度，耀斑发生的概率是高于该高度的三倍，表明与地球辐射带的接近程度有强烈相关性。
• ACIS+HETG配置的耀斑概率主要由2001年4月19日的一次单一事件主导，该事件与X14级太阳耀斑及日冕物质抛射相关，表明罕见强耀斑具有外部太阳驱动机制。
• 较弱耀斑在GSM区域上无明显空间相关性，而较强耀斑（>3σ）在午夜至黄昏区显著更频繁，表明局部地磁结构是其来源。
• 耀斑在ACIS成像配置中最常见，表明大多数耀斑源于穿透能力较弱的粒子；而能穿透屏蔽的硬事件则与特定太阳事件相关。