Hat der Satellit Insight-HXMT neue Entdeckungen gemacht? Diesen Helden hinter den Kulissen müssen Sie kennen

Vor kurzem hat das Insight-HXMT-Satellitenteam meines Landes den Weltrekord für die direkte Messung der Zyklotronabsorptionslinie mit der höchsten Energie und des stärksten Magnetfelds im Universum erneut deutlich verbessert. Wissenschaftler sagten, dass die dieser Beobachtung entsprechende Magnetfeldstärke auf der Oberfläche des Neutronensterns 1,6 Milliarden Tesla überstieg und damit das im Jahr 2020 direkt gemessene kosmische Magnetfeld von etwa 1 Milliarde Tesla übertraf.

Die leistungsstarke Beobachtungsfähigkeit des Insight-HXMT-Satelliten ist untrennbar mit seiner leistungsstarken Datenanalysefähigkeit verbunden. Wie sammelt der Satellit Insight-HXMT Informationen? Und wie geht man mit ihnen um? Schauen wir weiter nach unten.

Künstlerisches Bild des Insight-HXMT-Satelliten bei der Beobachtung eines akkretierenden Pulsars

(Bildquelle: Institut für Hochenergiephysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

1. Wie sammelt der Teleskopsatellit HXMT Daten?

Wir wissen bereits, dass der Satellit drei Teleskopnutzlasten trägt: ein Hochenergieteleskop, ein Mittelenergieteleskop und ein Niedrigenergieteleskop. Hinsichtlich der Methoden zur Datenanalyse gibt es jedoch keinen wesentlichen Unterschied zwischen den Hoch-, Mittel- und Niedrigenergieteleskopen. Daher werden wir das Hochenergieteleskop als Beispiel nehmen, um die wissenschaftliche Datenanalyse des Hartröntgenmodulationsteleskops weiter vorzustellen.

Ich glaube, jeder kennt die CT, die in Krankenhäusern verwendet wird. Der chinesische Name der CT lautet Computertomographie. Dies kommt dem Scan-Beobachtungsmodus des Hartröntgenmodulationsteleskops sehr nahe.

CT-Gerät

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Der Unterschied besteht darin, dass bei der CT die Probe (z. B. ein Patient) in der Mitte platziert wird und die Strahlungsquelle und der Detektor um die Probe rotieren. Das resultierende Bild spiegelt die Absorptionsrate oder Transmission der Strahlung an verschiedenen Positionen des Probenabschnitts wider. Im geometrischen Sinne entspricht das Scannen durch ein Teleskop dem Scannen aus dem Inneren der Probe (wie etwa der Milchstraße). Das resultierende Bild spiegelt die Helligkeitsverteilung der Probe wider, die entlang der Sichtlinie auf eine Einheitskugel projiziert wird.

Oh, das stimmt nicht. Ich habe in den Nachrichten gesehen, dass dieses Teleskop kein Bild direkt erzeugen kann! Wie ist das Bild entstanden?

Wenn Röntgenphotonen von Himmelskörpern auf einen Natriumiodidkristall treffen, blitzt der Kristall

(Fotoquelle: Institut für Hochenergiephysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Ein Kollimator ist im Wesentlichen ein hohles Rohr aus einem Material, das für Röntgenstrahlen nicht leicht durchdringbar ist. Wenn der Kollimator der Röntgenquelle zugewandt ist, ist die Anzahl der Röntgenphotonen, die den Kollimator passieren und den Detektor erreichen können, am größten. bei leichter Auslenkung des Kollimators verringert sich die Zählrate der Röntgenphotonen (die Anzahl pro Zeiteinheit) entsprechend; Wenn der Ablenkwinkel des Kollimators zu groß ist, können Röntgenphotonen nicht mehr durch die Öffnung des Kollimators eindringen, sondern nur noch an der Innenwand gestreut werden oder von der Außenwand durchdringen, um den Detektor zu erreichen, wodurch die Zählrate erheblich reduziert wird.

Daher verwenden wir den Kollimator zum Drehen und Scannen und zeichnen den Winkel zwischen der Richtung des Kollimators und der Anfangsrichtung zu jedem Zeitpunkt auf, während wir den Zeitpunkt aufzeichnen, zu dem jedes Photon den Detektor erreicht. Auf diese Weise schließen wir die Scan-Beobachtung der Röntgenquelle ab und erhalten die Beobachtungsdaten – die Zeitreihen der Photonenankunftsereignisse und den Detektorstatus.

Röntgenbild (Bildquelle: Insight—HXMT)

2. Wie werden die erhobenen Daten verarbeitet?

Als nächstes unterteilen wir die Zeitachse in gleichmäßig verteilte Zeiträume und addieren die Anzahl der Photonen, die in jedem Zeitraum eintreffen. Mit anderen Worten: Die Anzahl der in jedem Zeitabschnitt eintreffenden Photonen ist eine Funktion der Richtung des Detektors. Um es noch weiter zu verallgemeinern: Die Beobachtungsdaten können als Funktion des Detektorzustands ausgedrückt werden.

Röntgenteleskop-Zählspektrum

(Bildquelle: Insight—HXMT)

Vor dem Start führten Wissenschaftler Kalibrierungsexperimente am Boden durch, um die Eigenschaften des Detektors (wie Erkennungseffizienz, räumliche Reaktion, Energiereaktion usw.) zu kalibrieren und sie mit dem theoretischen Modell zu vergleichen, um zu überprüfen, ob das theoretische Modell umfassend und genau ist. Nach dem Start werden Kalibrierungsexperimente im Orbit durchgeführt, um das Modell kontinuierlich zu korrigieren. Auf diese Weise kann die Detektorantwort grob als eine bekannte Funktion mit einer gewissen Unsicherheit betrachtet werden. Unter ihnen sind die Detektorreaktion und die Beobachtungsdaten der Schlüssel zur Schlussfolgerung der Zieleigenschaften.

So kann man es verstehen. Angenommen, es gibt eine kleine Stadt mit einem Schwimmbad. Bei den „Beobachtungsdaten“ handelt es sich um die von uns täglich erfassten Ticketverkäufe des Stadtbades. Die „Detektorreaktion“ beschreibt im Wesentlichen die Übereinstimmung zwischen der tatsächlichen Anzahl der Schwimmbadbesucher und den Ticketverkäufen. Aus diesen Informationen müssen wir die „Zielmerkmale“ ableiten, wie etwa Änderungen der Mitgliederzahl der Schwimmbegeistertengruppe und Änderungen der Trainingsintensität.

In ihrer tatsächlichen Arbeit haben Wissenschaftler einige spezifische Methoden übernommen, um spezifische Probleme zu lösen, die in den oben vereinfachten Situationen nicht abgedeckt sind.

Obwohl das Teleskop beispielsweise mit Detektoren ausgestattet ist, die speziell zur Messung des Hintergrunds dienen und den Hintergrund verschiedener Komponenten sowie die individuellen Unterschiede zwischen den Detektoren berücksichtigen, haben Wissenschaftler dennoch eine Vielzahl experimenteller Schemata und Datenanalysemethoden für die Umlaufbahn entwickelt, um den Hintergrund während der Teleskoperkennung zu schätzen, wie beispielsweise das oben erwähnte Modell eines Kleinstadtschwimmbads. Ein weiteres Beispiel: Die eigentliche Modulationsgleichung weist eine hohe Dimension und Komplexität auf, sodass der Rechenaufwand für die Demodulation sehr hoch ist. Daher haben wir einen adaptiven und schnellen Algorithmus entwickelt, der auf maschinellem Lernen, Compressed Sensing und anderen Technologien basiert.

Diese scheinbar unorganisierten Daten verkörpern die wissenschaftlichen Forschungsanstrengungen mehrerer Generationen und enthalten kosmische Geheimnisse, die entdeckt werden können. Wie viele Überraschungen kann uns der Satellit Insight-HXMT bringen? Vielleicht können wir diese Frage derzeit nicht genau beantworten, aber wir sind fest davon überzeugt, dass es im riesigen und geheimnisvollen Universum noch viele Geheimnisse gibt, die darauf warten, von der Menschheit gelüftet zu werden. Der Satellit Insight-HXMT wird als die Augen der Menschheit, die in den Weltraum blicken, unsere Neugier wecken und uns tiefer ins Universum vordringen lassen!

Produziert von: Science Popularization China

Autor: China Science Expo

Hersteller: China Science Expo