硬X射线调制望远镜卫星科学观测应用初步评价

贾淑梅 黄跃 马想 屈进禄 宋黎明 张澍 郑世界 葛明玉

(中国科学院高能物理研究所,北京 100049)

硬X射线调制望远镜(HXMT)卫星[1]于2017年6月15日在酒泉卫星发射中心成功发射,现已顺利在轨运行1年多。HXMT卫星包括高能、中能和低能望远镜3个主要有效载荷。其主要科学目标是:①通过对银道面、银心和核球的大天区扫描巡天和监测,发现新的高能变源和已知高能天体的新活动;②通过对河内黑洞和中子星进行长期高频次监测,理解黑洞和中子星系统的活动和演化机制;③通过对高流强河内黑洞和中子星进行高统计量观测,理解吸积黑洞和中子星系统的基本性质;④利用其扩展到200 ke V～3 Me V能区的探测能力,获得新的伽马射线暴及其他爆发现象的能谱和时变观测数据,理解高能剧烈爆发天体的基本属性,研究宇宙深处大质量恒星的死亡及中子星并合等过程中黑洞的形成。

HXMT卫星的科学观测受卫星轨道、空间环境、观测目标源等多种约束条件的限制,且卫星不同工作模式(例如定点、小天区和巡天)具有不同的观测约束。因此,合理规划科学观测、提高观测效率,充分利用卫星寿命期间的有效工作时间,是卫星实现其科学目标、获得科学成果的重要保障。HXMT卫星科学观测规划,综合考虑了太阳避免角、地球遮挡、南大西洋异常(SAA)区和月球影响,在保证卫星安全运行的前提下,使得观测效率最高,即实现卫星有效观测时间最长[2-4]。

HXMT卫星具有能量覆盖范围宽(1～250 keV)、视场大、有效观测面积大的特点。本文概述了HXMT卫星在轨1年多的观测情况,并重点介绍了卫星在银道面扫描、X射线双星及伽马射线暴研究等方面已初步取得的科学成果。

1 观测情况概述

目前,HXMT卫星已完成了对核心科学目标源的观测,包括:全银道面扫描、脉冲星、超新星遗迹、黑洞双星、中子星双星、河外天体源和空天区。表1为HXMT卫星第1年度(2017年6月15－2018年6月15日)的观测统计情况。结果显示:HXMT卫星已对45个核心目标天体进行了多轮次定点观测,有效曝光时间约14 Ms;对银道面全部22个区域进行了458次小天区扫描观测,扫描时间约5 Ms;对脉冲星Crab天区进行了9次小天区扫描观测,扫描时间约550 ks。

表1 HXMT卫星第1年度观测源信息统计Table 1 Observed sources of HXMT satellite in the first year

2 初步科学成果

HXMT卫星的科学成果涵盖很多方面[5],包括:银道面扫描及X射线源的监测、黑洞和中子星双星的时变与能谱分析、伽马射线暴和引力波电磁对应体的观测、多波段联合观测,以及脉冲星观测和脉冲星导航试验等。

2.1 银道面扫描及X射线源的监测

银河系内X射线源多数是变源,并且处于银道面上。对银道面进行巡天观测,监测已知源的光变、发现已知源新的爆发现象和新源的爆发,以及新类型的硬X射线辐射源,是HXMT卫星的主要科学目标之一。

截至2018年6月15日,HXMT卫星对银道面全部22个区域进行了458次小天区扫描,曝光情况见图1。对192个爆发源和变源进行了流量演化情况监测,详细结果发布在HXMT卫星官方网站(http://www.hxmt.org/index.php/dataan/sourcelist),监测源在银道面上的分布见图2。以Swift J0243.6＋6124为例,图3分别给出了其高能、中能和低能望远镜能区上计数率的变化情况。

图1 HXMT卫星对银道面的曝光图Fig.1 Exposure map of galactic plane observed by HXMT satellite

图2 监测源在银道面上的分布Fig.2 Distribution of monitoring sources in galactic plane

图3 HXMT卫星对Swift J0243.6＋6124的计数率Fig.3 Count rate of Swift J0243.6＋6124 monitored by HXMT satellite

2.2 黑洞和中子星双星的时变与能谱分析

利用HXMT卫星的宽能区优势,可系统研究黑洞和中子星X射线双星爆发演化,理解黑洞和中子星的基本性质,研究视界附近吸积盘的行为,研究磁球性质并测量中子星表面磁场强度。HXMT卫星已完成了对10个黑洞X射线双星和26个中子星X射线双星的观测,其中包括MAXI J1535－571、Swift J0243.6＋6124、Swift J1658.2－4242、MAXI J1820＋070等新源。

在对MAXI J1535－571的观测中,硬度、均方根(RMS)以及准周期震荡(QPO)显示了显著的转变特征,表明在观测过程中该源经历了由低硬态到硬中间态、最后进入软中间态的转换(见图4)。图5为望远镜探测到的低频QPO。利用高能望远镜在高能段有效观测面积大的优势,首次给出了30 keV以上QPO的演化性质。

HXMT卫星对中子星X射线双星的观测也取得重要观测成果。高能望远镜的有效面积很大,可以研究吸积脉冲星的更高能量(大于50 ke V)的回旋吸收线;在Swift J0243.6＋6124的爆发期间,探测到其不同能段的脉冲轮廓演化(见图6);确认了著名的中子星X射线双星Her X-1回旋吸收线能量在经过20年的下降之后开始增高的现象[6-7]。

图4 HXMT卫星观测的MAXI J1535－571爆发演化的硬度-强度图和硬度-RMS图Fig.4 Hardness-intensity diagram and hardness-RMS diagram of MAXI J1535－571 observed by HXMT satellite

图5 望远镜探测到的MAXI J1535－571低硬态的低频QPOFig.5 Low frequency QPOs detected by telescopes from MAXI J1535－571

图6 新的中子星X射线双星Swift J0243.6＋6124爆发期间的脉冲轮廓演化Fig.6 Pulse profile evolution of neutron star Swift J0243.6＋6124 during outburst

2.3 伽马射线暴和引力波电磁对应体的观测

伽马射线暴是在全天随机出现的高能爆发现象,其瞬时辐射的能谱可从千电子伏特延展到10 MeV以上。HXMT卫星因视场大(除被地球遮挡的部分天区外均可探测)、面积大(约5000 cm2)、探测能区宽(200 keV～10 MeV)、能量分辨率较高,有利于发现短硬暴及进行伽马射线暴的时变和能谱研究。图7显示了HXMT卫星的高能望远镜、“费米”(Fermi)卫星的伽马射线暴监测仪(GBM)和“国际伽马射线天体物理学实验室”(INTEGRAL)卫星的伽马射线能谱仪(SPI-ACS)对GRB170921C探测的光变曲线,HXMT卫星的高能望远镜对该暴的探测显著性达到12,远远大于Fermi卫星的GBM(显著性为8)和INTERGRAL卫星的SPI-ACS(显著性为4)。

截至2018年5月底,HXMT卫星共探测到100个伽马射线暴(其中包含27个短爆),并在伽马射线暴坐标网络(GCN)上公开发布了39个通告。HXMT卫星对伽马射线暴的发现率超过100个/年,已成为国际上发现率最高的伽马射线暴探测卫星之一。

2017年8月17日,世界上首次发现了双中子星并合引力波事件GW170817,因为该引力波事件具有极为重要的意义,天文学家利用大量的地面和空间望远镜进行观测,形成了一场天文学历史上极为罕见的全球规模的联合观测。HXMT卫星在GW170817发生前后,监测到全部的Fermi卫星GBM定位区域和引力波探测器定位区域,以及最终认证的光学对应体(SSS17a)位置区域,如图8(a)所示;其观测结果如图8(b)所示,光变曲线在GW170817并合时刻及GRB170817A触发时刻附近都没有探测到显著的超出。对GRB170817A触发及其先兆和延展辐射的上限估计,如图9所示[8]。

图7 HXMT卫星的高能望远镜、Fermi卫星的GBM和INTEGRAL卫星的SPI-ACS探测到的GRB170921CFig.7 GRB170921C detected by high energy telescope of HXMT satellite,Fermi/GBM and INTEGRAL/SPI-ACS

图8 HXMT卫星对GW170817事件的监测天区和引力波出现及伽马射线暴触发期间高能望远镜的光变曲线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 多波段联合观测

HXMT卫星在轨运行以来与国外多颗空间X射线望远镜及国内外地面射电、光学望远镜,包括欧洲的“牛顿”(XMM-Newton)卫星和INTEGRAL卫星、美国的“雨燕”(Swift)卫星和“核分光望远镜阵列”(NuSTAR)卫星,以及意大利的“梅迪奇纳”(Medicina)射电望远镜、日本的多个射电望远镜、中国新疆天文台南山射电望远镜、上海天文台天马射电望远镜、云南天文台2.16 m光学望远镜、国家天文台兴隆观测站光学望远镜等,对Crab脉冲星、黑洞或黑洞候选体(GRS 1915＋105,Swift J1658.2－4242,MAXI J1820＋070,Granat 1716－249等),以及中子星双星(Her X-1,GX 301－2,Swift J0243.6＋6124等)开展了多波段联合观测。

上述联合观测改进了HXMT卫星的标定工作,并取得了一些科学成果。例如,HXMT卫星与INTEGRAL卫星和NuSTAR卫星对Her X-1进行了联合观测,检验和改善了HXMT卫星的能量标定。HXMT卫星与射电望远镜对Crab脉冲星的联合观测,证实了HXMT卫星具有良好的计时观测精度;HXMT卫星与X射线卫星的联合观测,得到了Crab脉冲星的脉冲能谱,从而对HXMT卫星的仪器响应进行了标定。此外,利用获得的Crab脉冲星多波段观测数据,发现Crab脉冲星最大的周期跃变期间存在自旋加速现象。

2.5 脉冲星观测和脉冲星导航试验

HXMT卫星对多颗脉冲星,特别是对Crab、PSR B1509－58、PSR B0540－69这3颗可用于导航试验的脉冲星进行了观测,建立了这3颗脉冲星的标准脉冲轮廓和自转演化模型。

2017年9月30日－10月4日,HXMT卫星对Crab脉冲星进行了连续5天的观测,共探测到6.5亿个有效光子事例,其中来自Crab脉冲星的脉冲光子数3410万个。利用此次观测开展了基于Crab的单脉冲星自主定轨试验。基于已建立的新型导航算法“脉冲轮廓显著性分析与轨道动力学融合方法”,利用高能、中能和低能望远镜的观测数据分别成功实现了对HXMT卫星轨道的确定。结合3台望远镜的数据,进一步提高了导航定轨精度,位置精度达到10 km(3σ),速度精度达到10 m/s(3σ)。

3 结束语

HXMT卫星在轨运行1年多,已完成了核心科学目标观测任务。通过对观测数据的分析,HXMT卫星在银道面扫描、黑洞和中子星X射线双星时变与能谱分析、伽马射线暴和引力波电磁对应体研究,以及脉冲星导航试验等方面获得了初步的科学成果。后续,HXMT卫星将在黑洞与中子星研究、伽马射线暴探测,以及银河系内新源和变源的监测方面发挥重要作用。

参考文献(References)

[1]李惕碚,吴枚．空间硬X射线调制望远镜[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]卢宇,张文昭,屈进禄,等．硬X射线调制望远镜观测约束[J]．中国科学:物理学、力学、天文学,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]黄跃,屈进禄,贾淑梅,等．HXMT卫星长期任务规划算法[J]．空间科学学报,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