GECAM定位方法及模拟分析
发布时间：2022-02-12 12:00
引力波暴高能电磁对应体全天监测器（Gravitational wave high-energy Electromagnetic Counterpart All-sky Monitor, GECAM）卫星计划于2020年底发射,将实现对引力波高能电磁对应体等高能暴发现象的全天监测. GECAM对伽马射线暴的定位是其最重要的科学需求之一.我们建立了同时拟合伽马射线暴的能谱和定位的GECAM地面定位方法,并结合GECAM当前质量模型的仪器响应和本底模拟,对此定位方法的GECAM定位能力进行了考察,得到了不同亮度、不同能谱硬度、不同暴发持续时间等参数的伽马射线暴的定位精度.对于典型亮度（10–1000 keV能段下,通量为10-6 erg s-1 cm-2,持续10 s）的中等硬度谱的定位精度在0.6°（1-σ统计误差）左右.我们还考察了两个特殊暴发事件:（1）对于快速射电暴FRB 131104的疑似高能辐射对应体, GECAM定位误差为5°左右;（2）对于引力波事件GW170817的电磁对应体（GRB 170817A）,GECAM定位误差为10°左右.
【文章来源】：中国科学:物理学 力学 天文学. 2020,50(12)北大核心CSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
GECAM对三种硬度谱、不同方向暴的定位精度.(a)–(c)分别是软谱、中等谱、硬谱暴在不同方向时的定位精度.每个子图中,左半部分和右半部分展示了两个半天区的定位精度基本一致.颜色柱的数值代表的是对于暴的定位统计误差(单位:deg)
文献[17]报道在Swift卫星数据中发现了与快速射电暴FRB 131104关联的高能辐射候选体(置信度3.2σ),并利用BAT数据分析了此疑似的快速射电暴对应体.文献[17]得到了此候选体累积通量为4.0×10-6erg cm-2,持续时间300 s,采用了幂律谱式(5)进行拟合,得到最佳拟合参数为A=5.8×10-4ph s-1cm-2keV-1,α=-1.16.为了考察GECAM对于此等强度暴的能谱探测能力,累积通量、持续时间保持不变,假设一个典型中等硬度Band谱(如表1中所定义)进行分析.针对如前所述的幂律谱和中等硬度Band谱,将Swift/BAT对伽马暴的探测结果、伽马暴的性质(能谱形状、暴的亮度、持续时间)作为设定值模拟了GECAM定位分析,与BAT的对比如表2所示.对于GRB 170817A,我们使用文献[3,18]以及GCN 21528[19]中所提供的能谱参数拟合最佳值进行了定位能力模拟.如表3所示,对于GRB170817A而言,GECAM进行的能谱拟合结果表明,GECAM对于此暴的能谱参数统计误差普遍好于Fermi/GBM所给出的结果.图3(a)和(b)分别是表3中第3时间段(-0.320 s–+0.256 s)和第4时间段(+0.832 s–+1.984 s)的GECAM模拟能谱拟合.30?入射和90?入射的情形下,GECAM对于此暴的全能段信噪比分别是10.5和12.7.表4和图4是模拟的定位结果.GECAM对于引力波电磁对应体GRB170817A的定位误差比Fermi/GBM所得到的定位误差要小,图4中GECAM的定位置信区间上方有着“截断”,这是因为地球掩食提高了定位能力.
当前的定位模拟采用的是Geant4模拟的本底和仪器响应,模拟定位的准确性会在一定程度上受到本底、仪器响应的影响.我们对GECAM本底进行了大量仿真研究,根据此前国内外天文卫星本底模拟的经验,卫星入轨后的实际本底与地面仿真结果差异不大(例如,Insight-HXMT仿真本底与在轨实际本底差异在15%以内[20,21]).我们在地面对探测器响应进行全面、准确的标定测量,且卫星入轨后将对仪器响应进行在轨标定检验,但仪器响应与真实响应间仍有可能存在差异.因此,GECAM在轨时的定位结果可能与当前模拟略有差异.GECAM两颗卫星位于同一轨道面、轨道高度,且轨道相位相差180?,这样的方案使得GECAM能够真正全天监测伽马射线暴,并且双星的设计可以使得地球掩食提升定位精度(图4).
【参考文献】：
期刊论文
[1]Insight-HXMT observations of the first binary neutron star merger GW170817[J]. TiPei Li,ShaoLin Xiong,ShuangNan Zhang,FangJun Lu,LiMing Song,XueLei Cao,Zhi Chang,Gang Chen,Li Chen,TianXiang Chen,Yong Chen,YiBao Chen,YuPeng Chen,Wei Cui,WeiWei Cui,JingKang Deng,YongWei Dong,YuanYuan Du,MinXue Fu,GuanHua Gao,He Gao,Min Gao,MingYu Ge,YuDong Gu,Ju Guan,ChengCheng Guo,DaWei Han,Wei Hu,Yue Huang,Jia Huo,ShuMei Jia,LuHua Jiang,WeiChun Jiang,Jing Jin,YongJie Jin,Bing Li,ChengKui Li,Gang Li,MaoShun Li,Wei Li,Xian Li,XiaoBo Li,XuFang Li,YanGuo Li,ZiJian Li,ZhengWei Li,XiaoHua Liang,JinYuan Liao,CongZhan Liu,GuoQing Liu,HongWei Liu,ShaoZhen Liu,XiaoJing Liu,Yuan Liu,YiNong Liu,Bo Lu,XueFeng Lu,Tao Luo,Xiang Ma,Bin Meng,Yi Nang,JianYin Nie,Ge Ou,JinLu Qu,Na Sai,Liang Sun,Yin Tan,Lian Tao,WenHui Tao,YouLi Tuo,GuoFeng Wang,HuanYu Wang,Juan Wang,WenShuai Wang,YuSa Wang,XiangYang Wen,BoBing Wu,Mei Wu,GuangCheng Xiao,He Xu,YuPeng Xu,LinLi Yan,JiaWei Yang,Sheng Yang,YanJi Yang,AiMei Zhang,ChunLei Zhang,ChengMo Zhang,Fan Zhang,HongMei Zhang,Juan Zhang,Qiang Zhang,Shu Zhang,Tong Zhang,Wei Zhang,WanChang Zhang,WenZhao Zhang,Yi Zhang,Yue Zhang,YiFei Zhang,YongJie Zhang,Zhao Zhang,ZiLiang Zhang,HaiSheng Zhao,JianLing Zhao,XiaoFan Zhao,ShiJie Zheng,Yue Zhu,YuXuan Zhu,ChangLin Zou. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2018(03)
本文编号：3621678
【文章来源】：中国科学:物理学 力学 天文学. 2020,50(12)北大核心CSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
GECAM对三种硬度谱、不同方向暴的定位精度.(a)–(c)分别是软谱、中等谱、硬谱暴在不同方向时的定位精度.每个子图中,左半部分和右半部分展示了两个半天区的定位精度基本一致.颜色柱的数值代表的是对于暴的定位统计误差(单位:deg)
文献[17]报道在Swift卫星数据中发现了与快速射电暴FRB 131104关联的高能辐射候选体(置信度3.2σ),并利用BAT数据分析了此疑似的快速射电暴对应体.文献[17]得到了此候选体累积通量为4.0×10-6erg cm-2,持续时间300 s,采用了幂律谱式(5)进行拟合,得到最佳拟合参数为A=5.8×10-4ph s-1cm-2keV-1,α=-1.16.为了考察GECAM对于此等强度暴的能谱探测能力,累积通量、持续时间保持不变,假设一个典型中等硬度Band谱(如表1中所定义)进行分析.针对如前所述的幂律谱和中等硬度Band谱,将Swift/BAT对伽马暴的探测结果、伽马暴的性质(能谱形状、暴的亮度、持续时间)作为设定值模拟了GECAM定位分析,与BAT的对比如表2所示.对于GRB 170817A,我们使用文献[3,18]以及GCN 21528[19]中所提供的能谱参数拟合最佳值进行了定位能力模拟.如表3所示,对于GRB170817A而言,GECAM进行的能谱拟合结果表明,GECAM对于此暴的能谱参数统计误差普遍好于Fermi/GBM所给出的结果.图3(a)和(b)分别是表3中第3时间段(-0.320 s–+0.256 s)和第4时间段(+0.832 s–+1.984 s)的GECAM模拟能谱拟合.30?入射和90?入射的情形下,GECAM对于此暴的全能段信噪比分别是10.5和12.7.表4和图4是模拟的定位结果.GECAM对于引力波电磁对应体GRB170817A的定位误差比Fermi/GBM所得到的定位误差要小,图4中GECAM的定位置信区间上方有着“截断”,这是因为地球掩食提高了定位能力.
当前的定位模拟采用的是Geant4模拟的本底和仪器响应,模拟定位的准确性会在一定程度上受到本底、仪器响应的影响.我们对GECAM本底进行了大量仿真研究,根据此前国内外天文卫星本底模拟的经验,卫星入轨后的实际本底与地面仿真结果差异不大(例如,Insight-HXMT仿真本底与在轨实际本底差异在15%以内[20,21]).我们在地面对探测器响应进行全面、准确的标定测量,且卫星入轨后将对仪器响应进行在轨标定检验,但仪器响应与真实响应间仍有可能存在差异.因此,GECAM在轨时的定位结果可能与当前模拟略有差异.GECAM两颗卫星位于同一轨道面、轨道高度,且轨道相位相差180?,这样的方案使得GECAM能够真正全天监测伽马射线暴,并且双星的设计可以使得地球掩食提升定位精度(图4).
【参考文献】：
期刊论文
[1]Insight-HXMT observations of the first binary neutron star merger GW170817[J]. TiPei Li,ShaoLin Xiong,ShuangNan Zhang,FangJun Lu,LiMing Song,XueLei Cao,Zhi Chang,Gang Chen,Li Chen,TianXiang Chen,Yong Chen,YiBao Chen,YuPeng Chen,Wei Cui,WeiWei Cui,JingKang Deng,YongWei Dong,YuanYuan Du,MinXue Fu,GuanHua Gao,He Gao,Min Gao,MingYu Ge,YuDong Gu,Ju Guan,ChengCheng Guo,DaWei Han,Wei Hu,Yue Huang,Jia Huo,ShuMei Jia,LuHua Jiang,WeiChun Jiang,Jing Jin,YongJie Jin,Bing Li,ChengKui Li,Gang Li,MaoShun Li,Wei Li,Xian Li,XiaoBo Li,XuFang Li,YanGuo Li,ZiJian Li,ZhengWei Li,XiaoHua Liang,JinYuan Liao,CongZhan Liu,GuoQing Liu,HongWei Liu,ShaoZhen Liu,XiaoJing Liu,Yuan Liu,YiNong Liu,Bo Lu,XueFeng Lu,Tao Luo,Xiang Ma,Bin Meng,Yi Nang,JianYin Nie,Ge Ou,JinLu Qu,Na Sai,Liang Sun,Yin Tan,Lian Tao,WenHui Tao,YouLi Tuo,GuoFeng Wang,HuanYu Wang,Juan Wang,WenShuai Wang,YuSa Wang,XiangYang Wen,BoBing Wu,Mei Wu,GuangCheng Xiao,He Xu,YuPeng Xu,LinLi Yan,JiaWei Yang,Sheng Yang,YanJi Yang,AiMei Zhang,ChunLei Zhang,ChengMo Zhang,Fan Zhang,HongMei Zhang,Juan Zhang,Qiang Zhang,Shu Zhang,Tong Zhang,Wei Zhang,WanChang Zhang,WenZhao Zhang,Yi Zhang,Yue Zhang,YiFei Zhang,YongJie Zhang,Zhao Zhang,ZiLiang Zhang,HaiSheng Zhao,JianLing Zhao,XiaoFan Zhao,ShiJie Zheng,Yue Zhu,YuXuan Zhu,ChangLin Zou. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2018(03)
本文编号：3621678
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