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(yùn)行了十多年。其中搭載伽瑪射線暴監(jiān)測(cè)器（Gamma-ray Burst Monitor，簡(jiǎn)稱GBM），其主要任務(wù)是增強(qiáng)監(jiān)測(cè)和定位伽瑪射線暴的能力，并提供寬帶頻譜信息。GBM擴(kuò)展能量范圍的主要工具是其所搭載的大面積望遠(yuǎn)鏡（簡(jiǎn)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(shí)間里對(duì)伽瑪暴的能量觀測(cè)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(gè)被歸類為伽瑪暴，其中198個(gè)來自軟伽瑪中繼器的暴發(fā)（Soft γ Repeaters），469個(gè)被歸類為地面伽瑪射線閃光（Terrestrial γ-ray Flashes），794個(gè)被歸類為太陽(yáng)耀斑（Solar Flares），305個(gè)歸類為帶電粒子（Charged Particle）事件，179個(gè)歸類為其他事件（意外統(tǒng)計(jì)波動(dòng)或太弱）。

1 伽瑪射線暴監(jiān)測(cè)器（GBM）

伽瑪射線暴監(jiān)測(cè)器探測(cè)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(yùn)行至2000年。這兩種儀器同樣都采用多個(gè)含鉈的碘化鈉探測(cè)器來實(shí)現(xiàn)對(duì)全天域視野的觀測(cè)，它們都具有機(jī)載脈沖觸發(fā)能力，并且都使用相對(duì)計(jì)數(shù)率來獲得暴發(fā)的大致方向。除此之外，伽瑪暴監(jiān)測(cè)器還含有兩個(gè)鍺酸鉍（BGO）探測(cè)器，它們更適合于探測(cè)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(cè)器，具有較好的靈敏度，而GBM的優(yōu)點(diǎn)則是具有更寬的能量監(jiān)測(cè)范圍和更高的數(shù)據(jù)處理速率。

為了監(jiān)測(cè)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(cè)器。且兩個(gè)探測(cè)器均使用大圓柱形BGO晶體，直徑12.7厘米，厚12.7厘米，每個(gè)耦合到兩個(gè)5″光電倍增器，安裝在航天器的兩側(cè)，每端一個(gè)，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(cè)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(jiǎn)稱FSW）會(huì)持續(xù)監(jiān)視探測(cè)器計(jì)數(shù)率，以監(jiān)測(cè)伽瑪暴和其他短時(shí)間刻度瞬變。當(dāng)FSW監(jiān)測(cè)到計(jì)數(shù)增加時(shí)，會(huì)突發(fā)觸發(fā)器，此時(shí)多個(gè)碘化鈉[TL]監(jiān)測(cè)器以背景速率的標(biāo)準(zhǔn)偏差為單位，對(duì)自身的速率進(jìn)行調(diào)節(jié)，但不會(huì)超過其閾值。由于可以指定總共120個(gè)不同的觸發(fā)器，每個(gè)觸發(fā)器具有其不同的閾值，所以目前實(shí)施的觸發(fā)算法包括四個(gè)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(diǎn)的觀測(cè)，以使LAT能夠在TGF中探測(cè)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(cè)期間GRB觸發(fā)器被禁用。為了減輕周末存在可能的太陽(yáng)活動(dòng)產(chǎn)生過量的TTE數(shù)據(jù)，GBM儀器觸發(fā)配置臨時(shí)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(yáng)的探測(cè)器其低水平能量閾值（Low-level Energy Thresholds，簡(jiǎn)稱LLT）被提高，（3）軟觸發(fā)器在每周周五的15-20小時(shí)和周一的13-20小時(shí)被禁用，持續(xù)時(shí)間在60到120小時(shí)之間。

2 Fermi的觀測(cè)

由于Fermi能對(duì)全天域的視野進(jìn)行觀測(cè)，根據(jù)銀河坐標(biāo)系下的探測(cè)結(jié)果可以看出長(zhǎng)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(shí)通過地面望遠(yuǎn)鏡探測(cè)光學(xué)余輝來估計(jì)許多與Swift重合的GRBs也有紅移。

結(jié)合數(shù)據(jù)通過對(duì)短伽瑪爆和長(zhǎng)伽瑪爆（分別對(duì)應(yīng)為<2s和>2s）的常規(guī)劃分，發(fā)現(xiàn)前6年的探測(cè)到的短伽瑪爆為229個(gè)，長(zhǎng)伽瑪爆為1175個(gè)，50-300KeV能量范圍中的所定義的短伽瑪爆和長(zhǎng)伽瑪暴可能屬于兩個(gè)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(duì)數(shù)正態(tài)模型來獨(dú)立評(píng)估伽瑪暴持續(xù)時(shí)間（和）以及持續(xù)時(shí)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(duì)自由度進(jìn)行校正，被稱為貝葉斯信息準(zhǔn)則（Bayesian Information Criterion，簡(jiǎn)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(gè)分量描述。

由于在考慮多個(gè)維數(shù)的情況下伽瑪暴群的重疊較少，所以在研究時(shí)除了考慮時(shí)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(gè)。此時(shí)再次使用BIC分析并發(fā)現(xiàn)，與持續(xù)時(shí)間的一維分布類似，持續(xù)時(shí)間-硬度數(shù)據(jù)也最好由兩組來描述。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)在短橢圓和長(zhǎng)橢圓中分別包含了40.1%和39.8%的GRBs，這個(gè)發(fā)現(xiàn)與開始的預(yù)期是相一致的。對(duì)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(duì)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(jiǎn)而言之，應(yīng)用于硬度比和持續(xù)時(shí)間的基于模型的聚類方法僅推出兩個(gè)聚類作為最佳解決方案：經(jīng)典的短/硬和長(zhǎng)/軟兩組。

為了顯示暴發(fā)光譜硬度對(duì)持續(xù)時(shí)間的依賴性，計(jì)算每個(gè)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(shí)間分析的副產(chǎn)物的光子模型擬合參數(shù)，從每個(gè)GRB的時(shí)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(zhǎng)GRB持續(xù)時(shí)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(zhǎng)GRB持續(xù)時(shí)間呈現(xiàn)出弱反相關(guān)關(guān)系。