唐慶文

(南昌大學(xué)物理系，江西 南昌　330031)

近幾年來(lái)，天體的高能伽瑪射線波段巡天成為天文學(xué)研究的重要手段，究其原因在于伽瑪射線可以反應(yīng)各類高能物理過(guò)程，如宇宙線粒子加速和輻射過(guò)程、宇宙暗物質(zhì)作用過(guò)程等[1]。研究天體源的伽瑪射線能譜特征，可以證論某些高能物理過(guò)程是否主導(dǎo)，如中性π介子衰變可以形成峰值流量在67.5 MeV的鼓包能譜特征[2]。一方面，伽瑪射線巡天可以有目標(biāo)地觀測(cè)已在其他波段觀測(cè)過(guò)的天體源，如哈勃望遠(yuǎn)鏡(Hubble Space Telescope)的光學(xué)/紅外巡天目錄，斯隆數(shù)字巡天(Sloan Digital Sky Survey, SDSS)目錄以及澳大利亞帕克斯天文臺(tái)64 m射電望遠(yuǎn)鏡(Parkes Radio Telescope)巡天目錄[3]，觀測(cè)的數(shù)據(jù)可進(jìn)一步限制目標(biāo)源的物理、化學(xué)特性。另一方面，高能伽瑪射線探測(cè)器會(huì)被一些強(qiáng)烈的天體伽瑪暫現(xiàn)源觸發(fā)，例如，伽瑪射線暴在GeV能區(qū)的存在時(shí)標(biāo)通常大于keV能區(qū)的時(shí)標(biāo)(通常不超過(guò)100 s)，在暴觸發(fā)后的數(shù)千秒也可能被觀測(cè)到[4-5]，因此探測(cè)器可應(yīng)用于探究該類天體伽瑪射線暫現(xiàn)源的輻射過(guò)程。隨著我國(guó)天文學(xué)觀測(cè)的發(fā)展，特別是暗物質(zhì)衛(wèi)星(DArk Matter Particle Explorer, DAMPE，悟空號(hào))、硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡(Hard X-ray Modulation Telescope, Insight-HXMT，慧眼號(hào))的升空[6-7]，它們的科學(xué)目標(biāo)集中在搜尋一些未知源的多波段輻射并進(jìn)而解釋一些極高能的物理過(guò)程，這些過(guò)程一般在實(shí)驗(yàn)室里很難實(shí)現(xiàn)。因此，快速定位未知伽瑪射線源是實(shí)時(shí)跟進(jìn)未知源的有效手段。

由于在高能伽瑪波段探測(cè)器的角分辨率較低，研究掌握精準(zhǔn)定位伽瑪射線源的算法，對(duì)于伽瑪射線巡天觀測(cè)起著很重要的作用。實(shí)驗(yàn)研究采用國(guó)際成熟的費(fèi)米衛(wèi)星攜帶的大面積望遠(yuǎn)鏡(Large Area Telescope, LAT)的伽瑪射線巡天觀測(cè)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，選取伽瑪射線暴為暫現(xiàn)源樣本，采用(1)不同時(shí)間、(2)不同中心位置計(jì)算伽瑪射線暫現(xiàn)源的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)(Test Statistic, TS)位置圖，最終得到最優(yōu)化的定位。其次將得到的位置(含誤差)與其他波段的后隨觀測(cè)(Follow-up Observations)比照，調(diào)整實(shí)驗(yàn)設(shè)定參數(shù)，從而得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)現(xiàn)研究目標(biāo)。

1　費(fèi)米衛(wèi)星巡天觀測(cè)及實(shí)驗(yàn)樣本選擇

費(fèi)米伽瑪射線太空望遠(yuǎn)鏡(原名GLAST，現(xiàn)命名為Fermi Gamma-Ray Space Telescope)是多國(guó)合作研發(fā)的，包括美國(guó)、法國(guó)、意大利、日本、瑞典等國(guó)家。它的科學(xué)目標(biāo)主要針對(duì)活動(dòng)星系核、脈沖星、伽瑪射線暴、宇宙線等。搭載的望遠(yuǎn)鏡視野達(dá)到全天區(qū)的20%，于2008年8月4日開(kāi)始科學(xué)觀測(cè)，并于一年后實(shí)時(shí)公布觀測(cè)數(shù)據(jù)。LAT伽瑪波段的觀測(cè)能量范圍從30 MeV到大于300 GeV，單個(gè)入射的天體伽瑪光子被各層探測(cè)裝置逐級(jí)記錄，F(xiàn)ermi-LAT研究組系統(tǒng)地分析了這些光子事例并進(jìn)行分類，如最常用的Source和Clean類型光子。官方統(tǒng)計(jì)從2008年8月4日到2011年8月4日，LAT共有超過(guò)1.8 × 1011個(gè)事件，最終有約1.44 × 108個(gè)通過(guò)更細(xì)致的伽瑪光子選擇標(biāo)準(zhǔn)并發(fā)布。圖1(a)是Fermi-LAT 5年觀測(cè)的大于1 GeV伽瑪射線分布圖。其中，銀盤(pán)區(qū)域是最亮的伽瑪射線探測(cè)區(qū)域，該區(qū)域之外存在一些亮點(diǎn)天體源，例如大麥哲倫星云(LMC)、蟹狀星云(Crab)。

實(shí)驗(yàn)樣本為L(zhǎng)AT觀測(cè)的122個(gè)伽瑪射線暴，時(shí)間范圍為2008年8月4日至2016年10月30日。圖1(b)是GRB080916009(數(shù)字為Fermi觸發(fā)暴的命名方式，前6位為年月日，后3位區(qū)分當(dāng)天觀測(cè)到的不同伽瑪射線暴)的100 MeV～200 GeV光子計(jì)數(shù)率的時(shí)間變化圖。從圖中可以看出，在觸發(fā)(Trigger Time，T0)后100 s以內(nèi)，光子計(jì)數(shù)率呈現(xiàn)脈沖式分布，而T0之前及T0+100 s后，光子計(jì)數(shù)率比較平穩(wěn)。實(shí)驗(yàn)樣本的每個(gè)伽瑪暴，選擇T0到T0+1 000 s的100 MeV～100 GeV的光子事例。樣本選擇標(biāo)準(zhǔn)為在觸發(fā)后1 000 s內(nèi)有高能光子被探測(cè)到，即能量大于100 MeV的光子。通過(guò)初步篩選發(fā)現(xiàn),16個(gè)伽瑪暴，或者只有10～100 MeV的低能伽瑪光子探測(cè)，或者在較晚期(T0+1 000 s之后)才有大于100 MeV光子探測(cè)，因此排除了這些伽瑪暴樣本，共收集到106個(gè)高能伽瑪探測(cè)的伽瑪暴。

圖1(a) Fermi-LAT 5年觀測(cè)到的大于1 GeV伽瑪射線分布圖,中心較亮的區(qū)域是銀盤(pán)區(qū)域； (b) GRB080916009的高能光子(100 MeV～200 GeV)計(jì)數(shù)率隨時(shí)間分布圖

Fig.1(a) Galactic Gamma-ray distribution observed by the Fermi-LAT in 5-yr mission, the bright part of which is galactic plane; (b) Count rates of high-energy photons as a function of time since GBM trigger (100MeV-200GeV)

2　Fermi科學(xué)軟件介紹和實(shí)驗(yàn)算法設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)是基于Fermi官方科學(xué)軟件的最大似然擬合分析。首先，計(jì)算伽瑪暴高能伽瑪探測(cè)的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值(TS,TS= σ2，當(dāng)達(dá)到5 σ 為99.999%置信度)隨不同起止時(shí)間和不同中心位置選擇的分布[8]。單次數(shù)據(jù)處理流程包括：(1)光子事件類型、中心位置及半徑(12°)、觀測(cè)時(shí)間、觀測(cè)能段的選擇(gtselect工具)；(2)飛船位置相關(guān)選擇(gtmktime工具);(3)彌散伽瑪背景計(jì)算(gtdiffrsp工具)；(4)光子曝光計(jì)算(gtexpmap工具)；(5)最大似然擬合(gtlike工具)；(6)TS位置圖計(jì)算(gttsmap工具)。算法設(shè)計(jì)就兩個(gè)條件做了閾值設(shè)定，即：

(1)時(shí)間間隔選擇。對(duì)單個(gè)伽瑪射線暴，所有的時(shí)間起點(diǎn)(T1)都是伽瑪暴的觸發(fā)時(shí)刻(T1=T0)，而時(shí)間終點(diǎn)(T2)依次累加(δt)，如0 s

(2)中心位置。該步驟中有兩個(gè)位置。(a)初始位置(P0)，以Fermi-LAT的初步結(jié)果為初始位置(P0)；(b)以單次數(shù)據(jù)處理流程得到TS位置圖的最大TS值的位置(P1)，再次執(zhí)行最大似然擬合,得到本次數(shù)據(jù)處理流程的最大TS值。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

圖2兩個(gè)伽瑪暴的r、R95、RTS,max、RN,pred隨不同T2的變化圖
Fig.2Four observables as a function of selected end Time (T2)

位的P3的95%等高誤差線以內(nèi)，而GRB120709883的X射線波段的后隨探測(cè)位置則稍微偏離了P3的95%等高線內(nèi)部，但此時(shí)R95或r都小于1°，考慮LAT高能伽瑪射線在1 GeV處95%的角分辨率(稍大于1°)，P3是有效的定位。

探測(cè)類型GRB數(shù)目/個(gè)探測(cè)類型GRB數(shù)目/個(gè)Strong (強(qiáng))90Low (低)1Middle (中等)14None (無(wú))1

4　實(shí)驗(yàn)總結(jié)

本文介紹了高能伽瑪射線暫現(xiàn)源的位置探測(cè)的一種算法，主要通過(guò)探測(cè)置信度隨時(shí)間變化，考察了不同截止時(shí)間對(duì)探測(cè)置信度的影響。研究結(jié)果表明，截止時(shí)間通常位于T0到T0+1 000 s之間，這通?？赡苡捎陲w船運(yùn)行狀態(tài)、LAT中心軸位置變化或者本征的伽瑪射線光子分布造成的。結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)方案可得到99.1%的伽瑪暴樣本的明顯探測(cè)和84.9%的樣本的強(qiáng)伽瑪探測(cè)。綜上所述，實(shí)驗(yàn)方案可快速地對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行伽瑪射線源的位置確定，該位置可通過(guò)伽瑪射線暫現(xiàn)源定位網(wǎng)絡(luò)(GCN)、行星際網(wǎng)絡(luò)(IPN)等發(fā)布信息給其它空間或地面望遠(yuǎn)鏡、探測(cè)器，進(jìn)行有效的跟蹤觀測(cè)，從而對(duì)未知天體伽瑪射線源進(jìn)行多波段研究。

實(shí)驗(yàn)算法可作為實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放性的學(xué)科實(shí)驗(yàn)，對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求適中，適合具備天文學(xué)科或高能物理等碩士點(diǎn)以上的院校進(jìn)行教學(xué)和科學(xué)研究之用。在各個(gè)天文機(jī)構(gòu)的服務(wù)器中，教師和學(xué)生可將本算法作為一個(gè)代碼包應(yīng)用于其他天體或天體系統(tǒng)的精確定位[9-10]。