=Paper=
{{Paper
|id=Vol-2022/paper09
|storemode=property
|title=
Короткие транзиентные гамма-события в эксперименте SPI/INTEGRAL: поиск, классификация и интерпретация
(Short Gamma-ray Transients in SPI/INTEGRAL: Search, Classification and Interpretation)
|pdfUrl=https://ceur-ws.org/Vol-2022/paper09.pdf
|volume=Vol-2022
|authors=Pavel Minaev,Alexey Pozanenko
|dblpUrl=https://dblp.org/rec/conf/rcdl/MinaevP17a
}}
==
Короткие транзиентные гамма-события в эксперименте SPI/INTEGRAL: поиск, классификация и интерпретация
(Short Gamma-ray Transients in SPI/INTEGRAL: Search, Classification and Interpretation)
==
https://ceur-ws.org/Vol-2022/paper09.pdf
Короткие транзиентные гамма-события в эксперименте
SPI/INTEGRAL: поиск, классификация и интерпретация
© П.Ю. Минаев © А.С. Позаненко
Институт космических исследований Российской академии наук,
Москва, Россия
minaevp@mail.ru apozanen@iki.rssi.ru
Аннотация. Рассмотрены возможности поиска и анализа транзиентных гамма-событий
различной природы в архивных данных гамма-спектрометра SPI космической обсерватории
INTEGRAL. Обсуждены проблемы обработки массивов наблюдательных данных эксперимента, в том
числе алгоритма поиска и методики автоматической классификации обнаруженных событий на
основе комплекса критериев. Кратко приведены результаты анализа архивных данных эксперимента
SPI/INTEGRAL, полученных за период 2003–2010 гг.
Ключевые слова: космические гамма-всплески, GRB, гамма-всплески земного происхождения,
TGF, SGR, AXP, поиск, классификация, каталог, INTEGRAL/SPI.
Short Gamma-ray Transients in SPI/INTEGRAL: Search,
Classification and Interpretation
© P.Yu. Minaev © A.S. Pozanenko
Space Research Institute of Russian Academy of sciences,
Moscow, Russia
minaevp@mail.ru apozanen@iki.rssi.ru
Abstract. The possibilities of searching and analyzing gamma-ray transients of various nature in the
archival data of the SPI spectrometer of the INTEGRAL space observatory are considered. The problems of
processing the arrays of row observational data of the experiment, including the search algorithm and the
method of automatic classification of detected events based on a set of criteria are discussed. The results of
the analysis of the archived data of the SPI / INTEGRAL experiment obtained for the period 2003–2010 are
briefly presented.
Keywords: cosmic gamma-ray bursts, GRB, terrestrial gamma-ray flashes, TGF, SGR, AXP, search,
classification, catalog, INTEGRAL/SPI.
1 Введение Большинство современных космических
гамма-телескопов (в том числе, спектрометр
Одной из актуальных задач современной SPI/INTEGRAL) позволяет регистрировать
астрофизики высоких энергий является отдельные гамма-кванты, записывая момент
исследование гамма-всплесков космического регистрации отсчета, его энергию и некоторые
(GRB) и земного (TGF) происхождения. другие параметры (например, номер детектора или
Космические гамма-всплески – одни из самых пикселя матрицы, в котором произошла
мощных взрывов во Вселенной – наблюдаются как регистрация) [1, 4]. Это открывает большие
спорадические вспышки гамма-излучения возможности в анализе наблюдательных данных, в
длительностью 0.1–100 с в энергетическом том числе разработки алгоритмов поиска
диапазоне выше 10 кэВ [1]. Гамма-всплески транзиентных событий различных типов, а также
земного происхождения значительно короче методики автоматической классификации
(менее 1 мс). Считается, что они генерируются в обнаруженных событий по определенным
верхней атмосфере Земли при пробое на критериям. Автоматическая классификация
убегающих электронах и сопровождают грозовую событий в рамках анализа значительных массивов
активность [2, 3]. данных (более 10 Тб для эксперимента SPI),
накопленных за несколько лет наблюдений, имеет
Труды XIX Международной конференции чрезвычайно большую роль вследствие огромного
«Аналитика и управление данными в областях с числа (более 15000 за год наблюдений) «ложных»
интенсивным использованием данных» срабатываний алгоритма поиска событий,
(DAMDID/ RCDL’2017), Москва, Россия, 10–13
октября 2017 года
37
связанных с различными инструментальными длительностью 0.001 сек можно было бы
эффектами (например, взаимодействие обнаружить в данных других экспериментов (с
заряженных частиц с детектором). более грубым временным разрешением).
В данной работе рассмотрены оригинальные При поиске событий использовалась сумма
алгоритмы поиска и классификации трех типов отсчетов. SGL – «обычный» отсчет,
обнаруженных событий в архивных данных зарегистрированный в одном детекторе. PSD –
эксперимента SPI/INTEGRAL, а также отсчет, зарегистрированный в одном детекторе,
интерпретация полученных результатов. форма импульса которого подтверждает его
фотонную природу. DBL – отсчеты, которые
2 Эксперимент SPI/INTEGRAL зарегистрированы одновременно в двух различных
детекторах вследствие комптоновского рассеяния
Обсерватория INTEGRAL была запущена 17 исходного фотона внутри одного из детекторов.
октября 2002 года на высокоэллиптичную орбиту Всего данным алгоритмом отобрано более ста
(перигей начальной орбиты – 9 тыс. км, апогей – тысяч событий на различных масштабах времени
153 тыс. км) с периодом 72 часа [5]. На (от 1 мс до 10 сек). Для каждого обнаруженного
обсерватории размещены два основных гамма- события были построены кривая блеска и
телескопа (IBIS/ISGRI, SPI) и несколько энергетическая диаграмма, проанализировано
вспомогательных телескопов (JEM-X, OMC, SPI- распределение отсчетов по детекторам, что затем
ACS). Все апертурные телескопы (SPI, IBIS/ISGRI, было использовано для классификации событий.
JEM-X, OMC) соосны, но форма и размер полей
зрения различны. 4 Классификация обнаруженных
Гамма-спектрометр SPI состоит из 19 событий
детекторов шестиугольной формы, изготовленных
из сверхчистого германия, с общей Для классификации событий, обнаруженных в
геометрической площадью 508 см2 [6]. Для эксперименте SPI, были использованы данные
построения изображений используется антисовпадательной защиты SPI-ACS и телескопа
кодирующая маска, изготовленная из вольфрама. IBIS/ISGRI, также размещенных на обсерватории
Спектральное разрешение спектрометра INTEGRAL.
SPI/INTEGRAL достигает значения 2.2 кэВ @ 1.33 Выделено три класса событий: флуктуации,
МэВ – одно из лучших на момент запуска кандидаты в «реальные» гамма-события
обсерватории (2002 г). Энергетический диапазон (например, гамма-всплески) и 3 типа
чувствительности 20 кэВ – 8 МэВ. Полное поле инструментальных явлений, связанных с
зрения телескопа составляет 30о. взаимодействием детектора с заряженными
Для увеличения чувствительности телескопа частицами (взаимодействия с пучками электронов,
SPI за счет устранения фона, связанного с протонами и галактическими космическими
взаимодействием аппаратуры с космическими лучами высоких энергий). События типа
лучами, используется антисовпадательная защита «флуктуации», как правило, были обнаружены на
SPI-ACS, состоящая из 91 кристалла германата пороге значимости и отсутствуют в данных других
висмута (BGO) с эффективной площадью 0.3 м2 космических телескопов (в первую очередь – в
[7]. данных экспериментов IBIS/ISGRI и SPI-ACS) и
поэтому исключались из анализа.
3 Алгоритм поиска событий Классификация построена на основе
Нами разработан собственный алгоритм поиска следующих критериев:
событий в архивных данных эксперимента Длительность. Для космических гамма-
SPI/INTEGRAL, полученных за период с 12 июля всплесков значение этого параметра обычно лежит
2003 года по 23 января 2010 года. в пределах (0.1, 100) сек, для гамма-всплесков
Гамма-спектрометр SPI/INTEGRAL позволяет земного происхождения – в пределах (0.1, 1) мс,
регистрировать отдельные гамма-кванты, для вспышек источников SGR и AXP – в интервале
записывая момент регистрации фотона, его (0.01, 3) сек. События, связанные с
энергию и номер детектора, в котором произошла взаимодействием детекторов с заряженными
регистрация. Поиск событий проводился в частицами, в зависимости от типа имеют
энергетическом диапазоне [20–650, 2000–8000] длительность от долей миллисекунд до долей
кэВ. Диапазон [650–2000] кэВ был исключен, секунды.
поскольку значительная часть отсчетов в этом Вид энергетического спектра. В качестве
диапазоне связана с шумом электроники. Отбор параметра, характеризующего жесткость
событий производился на масштабах времени энергетического спектра, использовалось
0.001, 0.01, 0.1, 1 и 10 сек с порогами значимости отношение отсчетов в диапазоне (100, 1000) кэВ к
20, 6, 5, 5 и 4 σ, соответственно. Порог в 20 σ для отсчетам в диапазоне (20, 100) кэВ. Для вспышек
интервала 0.001 сек выбран таким образом, чтобы источников SGR и AXP значение данного
за исследуемый период времени минимизировать параметра значительно меньше единицы. Спектры
количество флуктуаций так, чтобы при начальном гамма-всплесков отличаются большим
отборе получить только события большой разнообразием – значение параметра жесткости
интенсивности. Только такие короткие события может изменяться в широких пределах и
составляет, в среднем, около единицы. Для
38
взаимодействий детекторов с заряженными признаком «реального» гамма-события. Часть
частицами, в зависимости от типа, значение этого событий, связанных с взаимодействием
параметра либо значительно меньше единицы, детекторов SPI с пучками электронов (около 30%
либо значительно больше единицы. событий) и галактическими космическими лучами
Распределение отсчетов по детекторам. Для высоких энергий (около 70% событий),
количественной оценки распределения отсчетов обнаружены в данных SPI-ACS. Для событий-
события по детекторам использовалось отношение кандидатов в реальные гамма-события проведен
максимальной скорости счета в одном детекторе к поиск подтверждений в известных каталогах
среднему значению скорости счета. Для гамма-транзиентов [9–11].
«реальных» гамма-событий (гамма-всплесков,
вспышек источников SGR и AXP), находящихся в 5 Результаты
поле зрения телескопа SPI (в том числе, для
событий на краю поля зрения), значение этого Рассмотрим детально свойства различных
параметра, как правило, лежит в интервале (1–3). типов обнаруженных событий.
Для событий второго типа взаимодействий 5.1 Флуктуации
детекторов с заряженными частицами значение
этого критерия значительно превышает значение Для этого типа характерно квазиравномерное
3. распределение отсчетов по детекторам и по
Характер спектральной эволюции служил в энергиям. Профиль кривой блеска также не
качестве дополнительного критерия для отбора выявляет каких-либо особенностей. В эту
событий, связанных с взаимодействием категорию входят также срабатывания, которые не
детекторов с заряженными частицами. Для удается отнести к другому классу событий. Все
большинства «реальных» событий характерна события этого типа исключены из дальнейшего
эволюция энергетического спектра – от жесткого к анализа.
мягкому. Эволюция спектра событий, связанных с
взаимодействием детекторов SPI с 5.2 Взаимодействие детекторов SPI с
(предположительно) протонами, имеет, как высокоэнергичными протонами
правило, прямо противоположный характер.
События, связанные с взаимодействием Срабатывания данного типа легко
детекторов SPI с (предположительно) идентифицировать, поскольку они обладают сразу
галактическими космическими лучами высоких несколькими наблюдательными особенностями.
энергий, наблюдаются в виде спектральных линий Пример такого события представлен на Рис. 1.
с энергиями 55, 64, и 198 кэВ, соответствующих
ядерным реакциям захвата тепловых нейтронов
ядрами Ge [8], когда нейтроны рождаются в
результате каскадных реакций. Для отбора
событий такого типа также введен параметр,
представляющий собой отношение количества
отсчетов в интервале (0, 50) мс относительно
триггера к отсчетам в интервале (–50, 0) мс в узком
диапазоне энергий (195, 201) кэВ. Данный
критерий применялся лишь для отбора событий на
масштабах времени 10 и 100 мс, поскольку
события такого типа имеют длительность, в
среднем, около 50 мс.
Особенности темпа регистрации. Большая
часть вспышек источников SGR и AXP
наблюдается в течение активности
соответствующего источника, которая длится
около месяца. Крайне неравномерный темп
регистрации характерен для событий, связанных с
взаимодействием детекторов SPI с протонами и
пучками электронов. Темп регистрации гамма-
всплесков – равномерный. Это связано с их
космологической природой.
Обнаружение события в данных SPI-ACS,
IBIS/ISGRI и других экспериментов. Большая часть Рисунок 1 Событие, связанное с
(более 90%) «реальных» гамма-событий взаимодействием детекторов SPI с
(подтвержденных другими космическими высокоэнергичным протоном. В верхней части
экспериментами) также обнаружена в данных рисунка – кривая блеска в диапазоне 20 кэВ – 8
IBIS/ISGRI, и около трети событий – в данных SPI- МэВ. В нижней части рисунка – соответствующая
ACS. Обнаружение и локализация события в кривой блеска энергетическая диаграмма. Черным
данных IBIS/ISGRI являются надежным цветом показаны SGL- и PSD-отсчеты, синим
39
DBL-отсчеты излучение 53+13=66 кэВ [8].
Длительность составляет в среднем около 10 Длительность транзиентного излучения в
мс. Форма кривой блеска обычно несимметричная линии 198 кэВ составляет десятки мс.
и характеризуется быстрым ростом и медленным Транзиентное излучение в спектральных линиях
экспоненциальным спадом. Главная особенность – 53 кэВ и 66 кэВ наблюдается не во всех случаях.
крайне неравномерное распределение отсчетов по Длительность интенсивного излучения в этих
детекторам. Энергетический спектр, как правило, линиях может составлять несколько секунд.
жесткий, с резким обрывом на 2 МэВ, причем Событиям этого класса в 25% случаев
жесткость спектра растет со временем. Темп сопутствует «насыщение» германиевых
регистрации событий этого типа неравномерный – детекторов SPI – отсутствие сигнала в одном или
наблюдается несколько достаточно коротких нескольких соседних детекторах в течение
эпизодов активной регистрации длительностью 1– нескольких секунд. Природа насыщения не ясна.
2 дня каждый, в промежутках между которыми Темп регистрации – квазиравномерный на
события не регистрируются. уровне около 2 событий в сутки.
Более 70% событий наблюдаются также в
Мы предполагаем, что эти события связаны с
данных SPI-ACS. В [12] показано, что кристаллы
взаимодействием детекторов с
BGO, из которых состоит SPI-ACS, в результате
высокоэнергичными частицами космических
взаимодействия с космическими лучами (ядерные
лучей (вероятно, протонами), которые генерируют
реакции скалывания) испускают вторичные
ливень вторичных частиц в одном из германиевых
нейтроны, которые, в свою очередь,
детекторов SPI, которые затем им же и
термализуются и захватываются ядрами Ge
регистрируются.
детекторов эксперимента SPI. Вероятно,
5.3 Взаимодействие детекторов SPI с пучками рассмотренные события связаны с
электронов взаимодействием наиболее энергичных
галактических космических лучей, генерирующих
Пример события данного типа приведен на Рис.
мощный каскад вторичных частиц в SPI-ACS и
2. Длительность в большинстве случаев не
регистрируемых затем детекторами SPI.
превышает 1–2 мс, однако встречаются более
длинные события, состоящие из отдельных
миллисекундных импульсов. Форма импульсов в
большинстве случаев симметричная.
Энергетический спектр – мягкий, с завалом на 100
кэВ. Распределение отсчетов по детекторам –
равномерное. Около трети событий обнаружено в
данных SPI-ACS и представляют собой короткие
импульсы длительностью 50 мс.
Темп регистрации событий неравномерный:
наблюдается несколько периодов активной
регистрации длительностью около месяца каждый.
В промежутки времени между этими эпизодами
события практически не регистрируются. Темп
регистрации периодичен и меняется с периодом 3
сут (период обращения обсерватории INTEGRAL
вокруг Земли). Вероятно, что эти события
регистрируются в те моменты, когда орбита
обсерватории пересекает хвост магнитосферы
Земли, и связаны с взаимодействием детекторов с
пучками электронов внешнего радиационного
пояса.
5.4 Спектральные линии 53 кэВ, 66 кэВ, 198 кэВ
Данный тип событий связан с Рисунок 2 Событие, связанное с
кратковременным значительным увеличением взаимодействием детекторов SPI с пучком
скорости счета в фоновых спектральных линиях электронов магнитосферы Земли. То же, что на
198 кэВ, 53 кэВ и 66 кэВ, вызванных следующими Рис. 1
ядерными реакциями захвата тепловых нейтронов: 5.5 Кандидаты в гамма-всплески земного
70
Ge+n>71mGe (время жизни ≈ 20.4 мс)>71Ge+γ происхождения
двухступенчатое излучение 175+23=198 кэВ [8];
72
Ge+n>73mGe (время жизни 0.5 с)>72Ge+γ 53 Для исследования диффузного рентгеновского
кэВ [8]. фона обсерваторией INTEGRAL был произведен
72
Ge+n>73mGe>72Ge+γ двухступенчатое ряд наблюдений, когда в апертуру телескопов на
40
борту обсерватории попадала Земля. Мы 5.7 Космические гамма-всплески
использовали эти данные общей длительностью
Было обнаружено 48 космических гамма-
496 кс для поиска гамма-всплесков земного
всплесков, подтвержденных другими
происхождения (TGF). Всего было отобрано 28
космическими экспериментами (см. таблицы 4–6 в
кандидатов на основе известных свойств TGF:
[1]). На Рис. 5 представлены кривая блеска и
длительность ≤1 мс, энергетический спектр –
энергетическая диаграмма для гамма-всплеска
жесткий, с регистрацией фотонов свыше 1 МэВ,
GRB 050525.
форма кривой блеска – симметричная,
Помимо подтвержденных гамма-всплесков
спектральная эволюция отсутствует,
было отобрано 160 кандидатов (см. таблицу 7 в
распределение зарегистрированных отсчетов по
[1]), из них 151 событие относится к коротким
детекторам SPI – квазиравномерное. Один из
всплескам с длительностью менее 2 сек.
кандидатов представлен на Рис. 3. Детальное
Кандидаты отбирались в соответствии с
исследование кандидатов в TGF, обнаруженных в
наблюдаемыми свойствами гамма-всплесков,
данных SPI/INTEGRAL, см. в [13].
подтвержденных другими космическими
телескопами, а именно: длительность отдельных
импульсов события – более 5 мс; жесткий
энергетический спектр у событий с длительностью
менее 2 сек (данный критерий также позволяет
отсеивать события, связанные с активностью
источников повторного мягкого гамма-излучения
SGR); распределение по детекторам близко к
равномерному.
Детали исследования космических гамма-
всплесков, зарегистрированных в эксперименте
SPI/INTEGRAL, в том числе спектральный анализ,
исследование спектральной эволюции и
распределения гамма-всплесков по длительности,
см. в работах [1, 14].
Рисунок 3 Пример кандидата в гамма-всплеск
земного происхождения (TGF). То же, что на Рис.1
5.6 Вспышки источников SGR 1806-20 и AXP
1E_1547.0-5408
Были обнаружены 223 вспышки источника
мягкого повторного гамма-излучения SGR 1806-20
(Рис. 4) и 23 вспышки аномального рентгеновского
пульсара AXP 1E_1547.0-5408, которые были
обнаружены и локализованы в эксперименте
IBIS/ISGRI (см. таблицы 1–3 в [1]). Часть событий
также обнаружена в данных SPI-ACS.
Кроме того, составлен список из 90 кандидатов Рисунок 4 Пример вспышки источника SGR
во всплески источников повторного мягкого 1806-20. То же, что на Рис. 1
излучения (SGR и AXP), отобранных в
соответствии с наблюдаемыми свойствами
подтвержденных всплесков источников типа SGR,
а именно: длительность отдельных импульсов
события находится в пределах (0.01–3) сек; доля
фотонов с энергией выше 200 кэВ пренебрежимо
мала (мягкий спектр); распределение по
детекторам близко к равномерному.
41
Experiment. Astronomy Letters, 40, p. 235
(2014)
[2] Gurevich, A.V., Milikh, G.M., Roussel-Dupre,
R.: Runaway Electron Mechanism of Air
Breakdown and Preconditioning During a
Thunderstorm. Physics Letters A, 165, pp. 463-
468 (1992)
[3] Briggs, M.S., Xiong, S., Connaughton, V. et al.:
Terrestrial Gamma-ray Flashes in the Fermi Era:
Improved Observations and Analysis Methods. J.
of Geophysical Research (2013). doi:
10.1002/jgra.50205
[4] Vedrenne, G., Roques, J.-P., Schönfelder, V. et
al.: SPI: The Spectrometer Aboard INTEGRAL.
Astronomy and Astrophysics, 411, L63–L70
(2003)
[5] Winkler, C., Courvoisier, T. J.-L., Di Cocco, G.
et al.: The INTEGRAL Mission. Astronomy and
Astrophysics, 411, L1–L6 (2003)
[6] Vedrenne, G., Roques, J.-P., Schönfelder, V. et
al.: SPI: The Spectrometer Aboard INTEGRAL.
Рисунок 5 Космический гамма-всплеск GRB Astronomy and Astrophysics, 411, L63–L70
050525. То же, что на Рис. 1 (2003)
[7] von Kienlin, A., Beckmann, V., Rau, A. et al.:
6 Заключение INTEGRAL Spectrometer SPI's GRB Detection
Проведено комплексное исследование Capabilities. GRBs Detected Inside SPI's FoV
архивных наблюдательных данных гамма- and with the Anticoincidence System ACS.
спектрометра SPI, накопленных за 7 лет работы Astronomy and Astrophysics, 411, L299–L305
обсерватории INTEGRAL. (2003)
Предложен алгоритм поиска транзиентных [8] Weidenspointner, G., Harris, M.J., Sturner, S. et
событий на различных временных масштабах от 1 al.: MGGPOD: a Monte Carlo Suite for
мс до 10 сек, с помощью которого было Modeling Instrumental Line and Continuum
обнаружено более 100 000 событий. Разработана Backgrounds in Gamma-Ray Astronomy.
методика классификации обнаруженных событий Astrophys. J. Suppl., 156 (69), astro-ph/0408399
на основе ряда критериев, которая может (2005)
применяться автоматически непосредственно [9] Chelovekov, I.V., Grebenev, S.A.: Hard X-ray
после обнаружения события в наблюдательных Bursts Recorded by the IBIS Telescope of the
данных. INTEGRAL Observatory in 2003-2009.
Выделены три класса событий: флуктуации; Astronomy Letters. 37, p. 597, arXiv:astro-
«реальные» гамма-события (гамма-всплески ph.HE/1108.2421 (2011)
космического (GRB) и земного (TGF) [10] IBAS IBIS/ISGRI triggers: http://ibas.iasf-
происхождения, вспышки источников SGR и milano. inaf.it/
AXP); три типа инструментальных явлений, [11] Hurley, K.: Masterlist, http://www.ssl.berkeley.
связанных с взаимодействием детектора с edu/ipn3/chronological.txt
заряженными частицами (взаимодействия с
[12] Jean, P., von Ballmoos, P., Vedrenne, G.,
пучками электронов, протонами, и
Naya, J.E.: Performance of Advanced Ge-
галактическими космическими лучами высоких
spectrometer for Nuclear Astrophysics. Gamma-
энергий).
Ray and Cosmic-Ray Detectors, Techniques, and
Составлены каталоги космических гамма-
Missions. Ed. by B.D. Ramsey, T.A. Parnell.
всплесков и вспышек источников SGR 1806-20 и
Vol. 2806 of Society of Photo-Optical
AXP 1E_1547.0-5408. Instrumentation Engineers (SPIE) Conference
Благодарности Series, p. 457 (1996)
[13] Минаев, П.Ю., Позаненко, А.С., Гребенев,
Работа поддержана грантом РФФИ (проект С.А., Мольков, С.В.: Возможности и оценки
16-32-00489 мол_а) и частично грантами РФФИ наблюдений гамма-всплесков земного
17-02-01388, 16-07-01028. происхождения (TGF) космической
обсерваторией INTEGRAL. (в печати)
Литература
[14] Minaev, P.Yu., Grebenev, S.A., Pozanenko, A.S.
[1] Minaev, P.Yu., Pozanenko, A.S., Molkov, S.V., et al.: GRB 070912 – A gamma-ray Burst
Grebenev, S.A.: Catalog of Short Gamma-ray Recorded from the Direction to the Galactic
Transients Detected in the SPI/INTEGRAL Center. Astronomy Letters, 38, pp. 613 (2012)
42