Fermi對伽瑪暴的觀測

張良

摘 要：Fermi衛(wèi)星于2008年6月11日發(fā)射升空，并且已經(jīng)在太空中成功運行了十多年。其中搭載伽瑪射線暴監(jiān)測器（Gamma-ray Burst Monitor，簡稱GBM），其主要任務(wù)是增強監(jiān)測和定位伽瑪射線暴的能力，并提供寬帶頻譜信息。GBM擴展能量范圍的主要工具是其所搭載的大面積望遠(yuǎn)鏡（簡稱LAT，能量范圍30Mev-300GeV），且低至軟X射線和X射線能量范圍（8KeV-40MeV），而這也使得在七多年的時間里對伽瑪暴的能量觀測成為了可能。

關(guān)鍵詞：Fermi衛(wèi)星；伽瑪暴

自2008年7月12日啟用觸發(fā)以來的，GBM在各種瞬態(tài)事件上觸發(fā)了3350次：其中1405個被歸類為伽瑪暴，其中198個來自軟伽瑪中繼器的暴發(fā)（Soft γ Repeaters），469個被歸類為地面伽瑪射線閃光（Terrestrial γ-ray Flashes），794個被歸類為太陽耀斑（Solar Flares），305個歸類為帶電粒子（Charged Particle）事件，179個歸類為其他事件（意外統(tǒng)計波動或太弱）。

1 伽瑪射線暴監(jiān)測器（GBM）

伽瑪射線暴監(jiān)測器探測和定位伽瑪暴的技術(shù)在很大程度上是基于BATSE（Fishman et al.1989），該技術(shù)從1991年被運行至2000年。這兩種儀器同樣都采用多個含鉈的碘化鈉探測器來實現(xiàn)對全天域視野的觀測，它們都具有機載脈沖觸發(fā)能力，并且都使用相對計數(shù)率來獲得暴發(fā)的大致方向。除此之外，伽瑪暴監(jiān)測器還含有兩個鍺酸鉍（BGO）探測器，它們更適合于探測高能伽瑪射線光子。兩種儀器中，BATSE用的是更大的直徑為1″厚為20″的碘化鈉[TL]探測器，具有較好的靈敏度，而GBM的優(yōu)點則是具有更寬的能量監(jiān)測范圍和更高的數(shù)據(jù)處理速率。

為了監(jiān)測兆電子伏特范圍內(nèi)的快速伽瑪射線暴，GBM在200KeV和40MeV之間，采用了高密度閃爍晶體BGO的監(jiān)測器。且兩個探測器均使用大圓柱形BGO晶體，直徑12.7厘米，厚12.7厘米，每個耦合到兩個5″光電倍增器，安裝在航天器的兩側(cè)，每端一個，這樣便可以觀察完整的無人天空并提供更為詳細(xì)的光譜，GBM監(jiān)測到的所有明亮和硬質(zhì)伽瑪暴的信息高達(dá)數(shù)十兆電子伏特。

GBM所搭載的飛行軟件（Flight Software，簡稱FSW）會持續(xù)監(jiān)視探測器計數(shù)率，以監(jiān)測伽瑪暴和其他短時間刻度瞬變。當(dāng)FSW監(jiān)測到計數(shù)增加時，會突發(fā)觸發(fā)器，此時多個碘化鈉[TL]監(jiān)測器以背景速率的標(biāo)準(zhǔn)偏差為單位，對自身的速率進(jìn)行調(diào)節(jié)，但不會超過其閾值。由于可以指定總共120個不同的觸發(fā)器，每個觸發(fā)器具有其不同的閾值，所以目前實施的觸發(fā)算法包括四個能量范圍：BATSE標(biāo)準(zhǔn)50-300KeV范圍，25-50 KeV范圍，以提高SGR和GRB的靈敏度，以及>100KeV和>300KeV，以提高硬GRB和TGFs的靈敏度。

在5-6年期間，F(xiàn)ermi衛(wèi)星進(jìn)行了一系列低谷點的觀測，以使LAT能夠在TGF中探測到可能大于100MeV的光子。為了避免由于FSW可能引起的ARR而導(dǎo)致航天器重新定向，在這些低谷觀測期間GRB觸發(fā)器被禁用。為了減輕周末存在可能的太陽活動產(chǎn)生過量的TTE數(shù)據(jù)，GBM儀器觸發(fā)配置臨時改變了三種方式，從而影響了伽瑪暴數(shù)據(jù)。（1）部分或全部觸發(fā)算法被禁用，（2）面向太陽的探測器其低水平能量閾值（Low-level Energy Thresholds，簡稱LLT）被提高，（3）軟觸發(fā)器在每周周五的15-20小時和周一的13-20小時被禁用，持續(xù)時間在60到120小時之間。

2 Fermi的觀測

由于Fermi能對全天域的視野進(jìn)行觀測，根據(jù)銀河坐標(biāo)系下的探測結(jié)果可以看出長伽瑪暴的位置和短伽瑪暴的位置都沒有顯示出明顯的各向異性，這與伽瑪暴到達(dá)方向的各向同性分布是一致的，同時通過地面望遠(yuǎn)鏡探測光學(xué)余輝來估計許多與Swift重合的GRBs也有紅移。

結(jié)合數(shù)據(jù)通過對短伽瑪爆和長伽瑪爆（分別對應(yīng)為<2s和>2s）的常規(guī)劃分，發(fā)現(xiàn)前6年的探測到的短伽瑪爆為229個，長伽瑪爆為1175個，50-300KeV能量范圍中的所定義的短伽瑪爆和長伽瑪暴可能屬于兩個不同的類別。為了能夠更好地進(jìn)行分析，最終決定使用基于模型的聚類方法和對數(shù)正態(tài)模型來獨立評估伽瑪暴持續(xù)時間（和）以及持續(xù)時間與硬度的分布情況。該方法采用合并無關(guān)的最大似然函數(shù)，對自由度進(jìn)行校正，被稱為貝葉斯信息準(zhǔn)則（Bayesian Information Criterion，簡稱BIC），最終發(fā)現(xiàn)log和log分布最好由具有相等方差的兩個分量描述。

由于在考慮多個維數(shù)的情況下伽瑪暴群的重疊較少，所以在研究時除了考慮時間之外還考慮了硬度。若只使用那些硬度誤差小于硬度值的暴發(fā)，最終得到的樣本量為1222個。此時再次使用BIC分析并發(fā)現(xiàn)，與持續(xù)時間的一維分布類似，持續(xù)時間-硬度數(shù)據(jù)也最好由兩組來描述。同時還發(fā)現(xiàn)在短橢圓和長橢圓中分別包含了40.1%和39.8%的GRBs，這個發(fā)現(xiàn)與開始的預(yù)期是相一致的。對于-HR和-HR分布，最佳2組和3組解決方案之間的差異分別為4.6和8.9，按照BIC值，這些都構(gòu)成了兩組解決方案的有力證據(jù)。在-HR分布的情況下，最好的模型有相同體積和形狀的橢球分量，但它們的方向可以自由變化。對于-HR分布，最好的模型也有橢球分量，而它們的體積、形狀和方向卻被限制為相等。簡而言之，應(yīng)用于硬度比和持續(xù)時間的基于模型的聚類方法僅推出兩個聚類作為最佳解決方案：經(jīng)典的短/硬和長/軟兩組。

為了顯示暴發(fā)光譜硬度對持續(xù)時間的依賴性，計算每個GRB的硬度，作為在50-300KeV的能帶中的或間隔期間的暴發(fā)流量與10-50KeV頻帶中的暴發(fā)流量之比。在該分析中，通過使用作為持續(xù)時間分析的副產(chǎn)物的光子模型擬合參數(shù)，從每個GRB的時間分辨光譜擬合得出硬度。最終并沒有發(fā)現(xiàn)硬度比與長GRB持續(xù)時間有任何正相關(guān)關(guān)系，相反的，六年的樣本中硬度比與長GRB持續(xù)時間呈現(xiàn)出弱反相關(guān)關(guān)系。