Insight-HXMT衛星は何か新しい発見をしましたか?この舞台裏のヒーローを知っておく必要がある

最近、我が国のInsight-HXMT衛星チームは、宇宙で最も高いエネルギーのサイクロトロン吸収線と最も強い磁場の直接測定の世界記録を再び大幅に更新しました。科学者らによると、今回の観測に対応する中性子星表面の磁場の強さは16億テスラを超え、2020年に直接測定された宇宙の磁場の約10億テスラを上回ったという。

Insight-HXMT 衛星の強力な観測能力は、その強力なデータ分析能力と切り離すことはできません。 Insight-HXMT 衛星はどのように情報を収集するのでしょうか?そして、それらにどう対処すればよいのでしょうか?引き続き下を見ていきましょう。

降着パルサーを観測するInsight-HXMT衛星の芸術的な画像

（画像提供：中国科学院高エネルギー物理研究所）

1. HXMT望遠鏡衛星はどのようにデータを収集するのですか?

この衛星には、高エネルギー望遠鏡、中エネルギー望遠鏡、低エネルギー望遠鏡の 3 つの望遠鏡ペイロードが搭載されていることはすでにわかっています。しかし、データ分析方法に関しては、高エネルギー、中エネルギー、低エネルギーの望遠鏡の間に本質的な違いはありません。そこで、高エネルギー望遠鏡を例に、硬X線変調望遠鏡の科学的データ分析をさらに紹介します。

病院で使われるCTは皆さんご存知だと思います。 CT の中国語名はコンピューター断層撮影です。これは硬X線変調望遠鏡の走査観測モードに非常に近いものです。

CT装置

（写真提供：veerフォトギャラリー）

違いは、CT ではサンプル (患者など) を中央に配置し、放射線源と検出器がサンプルの周りを回転することです。結果として得られる画像は、サンプルセクションのさまざまな位置での放射線の吸収率または透過率を反映します。幾何学的な意味では、望遠鏡のスキャンはサンプル（天の川など）の内部からのスキャンに相当します。結果の画像は、視線に沿って単位球上に投影されたサンプルの輝度分布を反映します。

ああ、それは違います。この望遠鏡は直接像を結ぶことができないとニュースで見ました！この画像はどうやって入手したのですか?

天体からのX線光子がヨウ化ナトリウム結晶に当たると、結晶は光ります。

（写真提供：中国科学院高エネルギー物理研究所）

コリメータは本質的に、X 線が容易に通過できない材料で作られた中空のチューブです。コリメータがX線源に面しているとき、コリメータを通過して検出器に到達できるX線光子の数は最大になります。コリメータがわずかに偏向すると、X線光子の計数率（単位時間あたりの数）がそれに応じて減少します。コリメータ偏向角がある程度大きくなると、X線光子はコリメータの開口部を通過できなくなり、内壁で散乱するか、外壁から透過して検出器に到達するだけになり、計数率が大幅に低下します。

そのため、コリメータを使用して回転およびスキャンし、各光子が検出器に到達した瞬間を記録しながら、各瞬間のコリメータの方向と初期方向の間の角度を記録します。このようにして、X 線源の走査観測を完了し、光子到着イベントの時系列と検出器の状態という観測データを取得します。

X線画像（画像提供：Insight—HXMT）

2. 収集したデータをどのように処理しますか?

次に、タイムラインを等間隔の時間間隔に分割し、各時間間隔に到着する光子の数を合計します。言い換えれば、各期間に到着する光子の数は、検出器の方向の関数です。さらに一般化すると、観測データは検出器の状態の関数として表現できます。

X線望遠鏡によるスペクトルの計測

(画像出典: Insight—HXMT)

打ち上げ前に、科学者たちは地上で較正実験を実施し、検出器の特性（検出効率、空間応答、エネルギー応答など）を較正し、理論モデルと比較して、理論モデルが包括的かつ正確であるかどうかを検証しました。打ち上げ後、軌道上で校正実験が行われ、モデルが継続的に修正されます。このように、検出器の応答は、ある程度の不確実性を伴う既知の関数として大まかに考えることができます。その中で、検出器の応答と観測データは、ターゲットの特性を推測するための鍵となります。

このように理解することができます。プールのある小さな町があるとします。 「観測データ」とは、毎日記録している町内プールのチケット売上です。 「検出器応答」は、主にプールに入場した実際の人数とチケット販売数の対応関係を表します。この情報から、水泳愛好家グループのメンバー数の変化や運動強度の変化などの「ターゲット特性」を推測する必要があります。

実際の研究では、科学者は上記の単純化された状況ではカバーされていない特定の問題を解決するためにいくつかの特定の方法を採用しています。

たとえば、望遠鏡には背景を測定するための検出器が装備されていますが、さまざまなコンポーネントの背景と検出器間の個々の違いを考慮して、科学者は、前述の小さな町のプールモデルなど、望遠鏡による検出中に背景を推定するためのさまざまな軌道上実験スキームとデータ分析方法を設計しています。別の例として、実際の変調方程式は高次元かつ複雑であるため、復調の計算要件が非常に大きくなります。そのため、私たちは機械学習、圧縮センシングなどの技術に基づいた適応型で高速なアルゴリズムを設計しました。

一見無秩序に見えるこれらのデータは、数世代にわたる科学的研究の成果を体現しており、発見できる宇宙の秘密を含んでいます。 Insight-HXMT 衛星は私たちにどれだけの驚きをもたらすのでしょうか?今のところこの質問に正確に答えることはできないかもしれませんが、広大で神秘的な宇宙には、人類が解き明かすのを待っている謎がまだたくさんあると私たちは固く信じています。 Insight-HXMT衛星は、宇宙を見つめる人類の目として、私たちの好奇心を乗せて宇宙のさらに奥深くへと進んでいきます。

制作：中国科学普及協会

著者: 中国科学博覧会

プロデューサー: 中国科学博覧会