硬X射線調制望遠鏡衛星科學觀測應用初步評價

賈淑梅 黃躍 馬想 屈進祿 宋黎明 張澍 鄭世界 葛明玉

(中國科學院高能物理研究所,北京 100049)

硬X射線調制望遠鏡(HXMT)衛星[1]于2017年6月15日在酒泉衛星發射中心成功發射,現已順利在軌運行1年多。HXMT衛星包括高能、中能和低能望遠鏡3個主要有效載荷。其主要科學目標是:①通過對銀道面、銀心和核球的大天區掃描巡天和監測,發現新的高能變源和已知高能天體的新活動;②通過對河內黑洞和中子星進行長期高頻次監測,理解黑洞和中子星系統的活動和演化機制;③通過對高流強河內黑洞和中子星進行高統計量觀測,理解吸積黑洞和中子星系統的基本性質;④利用其擴展到200 ke V～3 Me V能區的探測能力,獲得新的伽馬射線暴及其他爆發現象的能譜和時變觀測數據,理解高能劇烈爆發天體的基本屬性,研究宇宙深處大質量恒星的死亡及中子星并合等過程中黑洞的形成。

HXMT衛星的科學觀測受衛星軌道、空間環境、觀測目標源等多種約束條件的限制,且衛星不同工作模式(例如定點、小天區和巡天)具有不同的觀測約束。因此,合理規劃科學觀測、提高觀測效率,充分利用衛星壽命期間的有效工作時間,是衛星實現其科學目標、獲得科學成果的重要保障。HXMT衛星科學觀測規劃,綜合考慮了太陽避免角、地球遮擋、南大西洋異常(SAA)區和月球影響,在保證衛星安全運行的前提下,使得觀測效率最高,即實現衛星有效觀測時間最長[2-4]。

HXMT衛星具有能量覆蓋范圍寬(1～250 keV)、視場大、有效觀測面積大的特點。本文概述了HXMT衛星在軌1年多的觀測情況,并重點介紹了衛星在銀道面掃描、X射線雙星及伽馬射線暴研究等方面已初步取得的科學成果。

1 觀測情況概述

目前,HXMT衛星已完成了對核心科學目標源的觀測,包括:全銀道面掃描、脈沖星、超新星遺跡、黑洞雙星、中子星雙星、河外天體源和空天區。表1為HXMT衛星第1年度(2017年6月15－2018年6月15日)的觀測統計情況。結果顯示:HXMT衛星已對45個核心目標天體進行了多輪次定點觀測,有效曝光時間約14 Ms;對銀道面全部22個區域進行了458次小天區掃描觀測,掃描時間約5 Ms;對脈沖星Crab天區進行了9次小天區掃描觀測,掃描時間約550 ks。

表1 HXMT衛星第1年度觀測源信息統計Table 1 Observed sources of HXMT satellite in the first year

2 初步科學成果

HXMT衛星的科學成果涵蓋很多方面[5],包括:銀道面掃描及X射線源的監測、黑洞和中子星雙星的時變與能譜分析、伽馬射線暴和引力波電磁對應體的觀測、多波段聯合觀測,以及脈沖星觀測和脈沖星導航試驗等。

2.1 銀道面掃描及X射線源的監測

銀河系內X射線源多數是變源,并且處于銀道面上。對銀道面進行巡天觀測,監測已知源的光變、發現已知源新的爆發現象和新源的爆發,以及新類型的硬X射線輻射源,是HXMT衛星的主要科學目標之一。

截至2018年6月15日,HXMT衛星對銀道面全部22個區域進行了458次小天區掃描,曝光情況見圖1。對192個爆發源和變源進行了流量演化情況監測,詳細結果發布在HXMT衛星官方網站(http://www.hxmt.org/index.php/dataan/sourcelist),監測源在銀道面上的分布見圖2。以Swift J0243.6＋6124為例,圖3分別給出了其高能、中能和低能望遠鏡能區上計數率的變化情況。

圖1 HXMT衛星對銀道面的曝光圖Fig.1 Exposure map of galactic plane observed by HXMT satellite

圖2 監測源在銀道面上的分布Fig.2 Distribution of monitoring sources in galactic plane

圖3 HXMT衛星對Swift J0243.6＋6124的計數率Fig.3 Count rate of Swift J0243.6＋6124 monitored by HXMT satellite

2.2 黑洞和中子星雙星的時變與能譜分析

利用HXMT衛星的寬能區優勢,可系統研究黑洞和中子星X射線雙星爆發演化,理解黑洞和中子星的基本性質,研究視界附近吸積盤的行為,研究磁球性質并測量中子星表面磁場強度。HXMT衛星已完成了對10個黑洞X射線雙星和26個中子星X射線雙星的觀測,其中包括MAXI J1535－571、Swift J0243.6＋6124、Swift J1658.2－4242、MAXI J1820＋070等新源。

在對MAXI J1535－571的觀測中,硬度、均方根(RMS)以及準周期震蕩(QPO)顯示了顯著的轉變特征,表明在觀測過程中該源經歷了由低硬態到硬中間態、最后進入軟中間態的轉換(見圖4)。圖5為望遠鏡探測到的低頻QPO。利用高能望遠鏡在高能段有效觀測面積大的優勢,首次給出了30 keV以上QPO的演化性質。

HXMT衛星對中子星X射線雙星的觀測也取得重要觀測成果。高能望遠鏡的有效面積很大,可以研究吸積脈沖星的更高能量(大于50 ke V)的回旋吸收線;在Swift J0243.6＋6124的爆發期間,探測到其不同能段的脈沖輪廓演化(見圖6);確認了著名的中子星X射線雙星Her X-1回旋吸收線能量在經過20年的下降之后開始增高的現象[6-7]。

圖4 HXMT衛星觀測的MAXI J1535－571爆發演化的硬度-強度圖和硬度-RMS圖Fig.4 Hardness-intensity diagram and hardness-RMS diagram of MAXI J1535－571 observed by HXMT satellite

圖5 望遠鏡探測到的MAXI J1535－571低硬態的低頻QPOFig.5 Low frequency QPOs detected by telescopes from MAXI J1535－571

圖6 新的中子星X射線雙星Swift J0243.6＋6124爆發期間的脈沖輪廓演化Fig.6 Pulse profile evolution of neutron star Swift J0243.6＋6124 during outburst

2.3 伽馬射線暴和引力波電磁對應體的觀測

伽馬射線暴是在全天隨機出現的高能爆發現象,其瞬時輻射的能譜可從千電子伏特延展到10 MeV以上。HXMT衛星因視場大(除被地球遮擋的部分天區外均可探測)、面積大(約5000 cm2)、探測能區寬(200 keV～10 MeV)、能量分辨率較高,有利于發現短硬暴及進行伽馬射線暴的時變和能譜研究。圖7顯示了HXMT衛星的高能望遠鏡、“費米”(Fermi)衛星的伽馬射線暴監測儀(GBM)和“國際伽馬射線天體物理學實驗室”(INTEGRAL)衛星的伽馬射線能譜儀(SPI-ACS)對GRB170921C探測的光變曲線,HXMT衛星的高能望遠鏡對該暴的探測顯著性達到12,遠遠大于Fermi衛星的GBM(顯著性為8)和INTERGRAL衛星的SPI-ACS(顯著性為4)。

截至2018年5月底,HXMT衛星共探測到100個伽馬射線暴(其中包含27個短爆),并在伽馬射線暴坐標網絡(GCN)上公開發布了39個通告。HXMT衛星對伽馬射線暴的發現率超過100個/年,已成為國際上發現率最高的伽馬射線暴探測衛星之一。

2017年8月17日,世界上首次發現了雙中子星并合引力波事件GW170817,因為該引力波事件具有極為重要的意義,天文學家利用大量的地面和空間望遠鏡進行觀測,形成了一場天文學歷史上極為罕見的全球規模的聯合觀測。HXMT衛星在GW170817發生前后,監測到全部的Fermi衛星GBM定位區域和引力波探測器定位區域,以及最終認證的光學對應體(SSS17a)位置區域,如圖8(a)所示;其觀測結果如圖8(b)所示,光變曲線在GW170817并合時刻及GRB170817A觸發時刻附近都沒有探測到顯著的超出。對GRB170817A觸發及其先兆和延展輻射的上限估計,如圖9所示[8]。

圖7 HXMT衛星的高能望遠鏡、Fermi衛星的GBM和INTEGRAL衛星的SPI-ACS探測到的GRB170921CFig.7 GRB170921C detected by high energy telescope of HXMT satellite,Fermi/GBM and INTEGRAL/SPI-ACS

圖8 HXMT衛星對GW170817事件的監測天區和引力波出現及伽馬射線暴觸發期間高能望遠鏡的光變曲線Fig.8 Sky region of GW170817 monitored by HXMT satellite and light curve of high energy telescope around gravitational wave merger and GRB trigger

2.4 多波段聯合觀測

HXMT衛星在軌運行以來與國外多顆空間X射線望遠鏡及國內外地面射電、光學望遠鏡,包括歐洲的“牛頓”(XMM-Newton)衛星和INTEGRAL衛星、美國的“雨燕”(Swift)衛星和“核分光望遠鏡陣列”(NuSTAR)衛星,以及意大利的“梅迪奇納”(Medicina)射電望遠鏡、日本的多個射電望遠鏡、中國新疆天文臺南山射電望遠鏡、上海天文臺天馬射電望遠鏡、云南天文臺2.16 m光學望遠鏡、國家天文臺興隆觀測站光學望遠鏡等,對Crab脈沖星、黑洞或黑洞候選體(GRS 1915＋105,Swift J1658.2－4242,MAXI J1820＋070,Granat 1716－249等),以及中子星雙星(Her X-1,GX 301－2,Swift J0243.6＋6124等)開展了多波段聯合觀測。

上述聯合觀測改進了HXMT衛星的標定工作,并取得了一些科學成果。例如,HXMT衛星與INTEGRAL衛星和NuSTAR衛星對Her X-1進行了聯合觀測,檢驗和改善了HXMT衛星的能量標定。HXMT衛星與射電望遠鏡對Crab脈沖星的聯合觀測,證實了HXMT衛星具有良好的計時觀測精度;HXMT衛星與X射線衛星的聯合觀測,得到了Crab脈沖星的脈沖能譜,從而對HXMT衛星的儀器響應進行了標定。此外,利用獲得的Crab脈沖星多波段觀測數據,發現Crab脈沖星最大的周期躍變期間存在自旋加速現象。

2.5 脈沖星觀測和脈沖星導航試驗

HXMT衛星對多顆脈沖星,特別是對Crab、PSR B1509－58、PSR B0540－69這3顆可用于導航試驗的脈沖星進行了觀測,建立了這3顆脈沖星的標準脈沖輪廓和自轉演化模型。

2017年9月30日－10月4日,HXMT衛星對Crab脈沖星進行了連續5天的觀測,共探測到6.5億個有效光子事例,其中來自Crab脈沖星的脈沖光子數3410萬個。利用此次觀測開展了基于Crab的單脈沖星自主定軌試驗。基于已建立的新型導航算法“脈沖輪廓顯著性分析與軌道動力學融合方法”,利用高能、中能和低能望遠鏡的觀測數據分別成功實現了對HXMT衛星軌道的確定。結合3臺望遠鏡的數據,進一步提高了導航定軌精度,位置精度達到10 km(3σ),速度精度達到10 m/s(3σ)。

3 結束語

HXMT衛星在軌運行1年多,已完成了核心科學目標觀測任務。通過對觀測數據的分析,HXMT衛星在銀道面掃描、黑洞和中子星X射線雙星時變與能譜分析、伽馬射線暴和引力波電磁對應體研究,以及脈沖星導航試驗等方面獲得了初步的科學成果。后續,HXMT衛星將在黑洞與中子星研究、伽馬射線暴探測,以及銀河系內新源和變源的監測方面發揮重要作用。

參考文獻(References)

[1]李惕碚,吳枚．空間硬X射線調制望遠鏡[J]．物理,2008,37(9):648-651 Li Tipei,Wu Mei．The hard X-ray modulation telescope mission[J]．Physics,2008,37(9):648-651(in Chinese)

[2]Jia Shumei,Ma Xiang,Huang Yue,et al．Insight-HXMT science operations[J]．Proc．SPIE,2018:10704:107041C

[3]盧宇,張文昭,屈進祿,等．硬X射線調制望遠鏡觀測約束[J]．中國科學:物理學、力學、天文學,2010,53(S1):31-35 Lu Yu,Zhang Wenzhao,Qu Jinlu,et al．Observation constraints of the hard X-ray modulation telescope HXMT[J]．Science China Physics,Mechanics&Astronomy,2010,53(S1):31-35(in Chinese)

[4]黃躍,屈進祿,賈淑梅,等．HXMT衛星長期任務規劃算法[J]．空間科學學報,2017,37(6):766-772 Huang Yue,Qu Jinlu,Jia Shumei,et al．Long-term planning algorithm for the HXMT mission[J]．Chinese Journal of Space Science,2017,37(6):766-772(in Chinese)

[5]Zhang Shu,Zhang Shuangnan,Lu Fangjun,et al．The Insight-HXMT mission and its recent progresses[J]．Proc．SPIE,2018,10699:106991U

[6]Staubert R,Klochkov D,Wilms J,et al．Long-term change in the cyclotron line energy in Hercules X-1[J]．Astronomy&Astrophysics,2014,572:A119

[7]Staubert R,Klochkov D,Fürst F,et al．Inversion of the decay of the cyclotron line energy in Hercules X-1[J]．Astronomy&Astrophysics,2017,606:L13

[8]Li Tipei,Xiong Shaolin,Zhang Shuangnan,et al．Insight-HXMT observations of the first binary neutron star merger GW170817[J]．Science China,2018,61(3):1011-1018