慧眼卫星在轨标定及联合标定的研究

X-ray is the key energy band in studying the properties of black hole and neutron star. The discovery of new physics and new phenomenon has strong correlation with calibration accuracy. The in-orbit calibration of the detector and its accuracy are one of the important factors that affect the scientific output of the telescope. This project will target at the calibration of three X-ray detectors on board of Insight-HXMT, the first X-ray telescope in China, by detailed data analysis from selected celestial sources, in order to study the energy-channel correlation, energy resolution and effective area of the detectors. Further test and correction of relevant calibration will be investigated through joint observation with other telescopes. This project will provide valuable references for the design and implementation of the calibration for future X-ray satellite in China on the method of calibration data analysis, the selection of celestial sources and the requirement of in-orbit calibration to the ground calibration.

X射线是研究黑洞、中子星等天体源辐射性质的关键波段。新物理和新现象的发现与探测器标定的准确与否密切相关。探测器的在轨性能标定及其精度是影响卫星科学产出的重要因素。本项目以我国成功发射的第一颗X射线天文卫星Insight-HXMT上的三个X射线探测器作为研究目标，通过对其在轨标定天体源的选择和标定数据的细致分析，给出探测器的能量-道数关系，能量分辨率，并根据和其他卫星的联合观测结果给出探测器的有效面积及对相关标定项的进一步检验和修正。本项目对在轨标定的数据分析方法、标定天体源的选择及在轨标定对地面标定的需求等都将为我国未来X射线天文卫星标定方案的设计和实施提供参考。

在空间X射线天文探测的几十年中，各个取得重要科学成果的空间项目都发表了若干篇有关仪器标定和校正的重要文献。这些标定和校正的工作对于理解仪器所观测到的物理数据有着重要的指导价值。空间探测仪器必须经过科学、精确的标定才能产生可信的观测数据。慧眼HXMT卫星的探测器类型多样，数目众多，仪器响应各不相同，且在轨运行时，性能随时间和空间环境发生变化，为实现对同一天体源的联合分析，特别是和国际上其他天文卫星的交叉证认，需要对不同探测器开展地面和在轨的联合标定。. 地面通过构建准确的卫星质量模型、相互作用过程和空间环境模型等手段，对有效载荷在轨运行和地面标定实验的结果进行了大量的模拟，通过与地面的标定实验进行比对，不断优化模拟的输入参数，从而保证整个系统级别的模拟是可靠的，并进一步确保有效载荷在轨模拟结果的有效性。卫星在轨运行后，构建了增益和能量分辨率随时间，温度等因素变化的模型，通过与地面标定数据、地面模拟及在轨观测数据的联合分析有效确定了三个载荷的增益和能量分辨率，三个载荷在轨增益标定的精度均小于1%。通过和其他X射线卫星的联合观测，证认了上述精度，并据此产生了在轨的能量响应矩阵。利用与美国NuSTAR卫星对蟹状星云的联合观测，对载荷的有效面积进行了标定，验证了标定的参数和性能，通过上述工作，三个载荷在主要能段的系统误差为1%~2%，达到国际先进水平。利用和美国NICER卫星，新疆射电望远镜对蟹状星云进行了联合观测，确定了三个载荷时间系统的系统误差均小于20us。在轨标定的结果为慧眼卫星研究X射线双星吸积过程、吸积盘结构和动力学演化，黑洞特征参数测量，脉冲星的辐射机制等方面提供了重要的支撑，为其他空间X射线卫星项目的地面和在轨标定提供了宝贵的经验。