基于X射线掩星探测反演行星大气密度

X射线掩星是一种常见的天文现象,基于X射线掩星探测的大气密度反演是一种涉及学科交叉的新方法,其通过处理高能X射线天体辐射源的掩星观测数据实现大气密度的反演,基本原理为X射线在大气中传播时,X射线光子被大气中的原子(包括分子中的原子)吸收和散射,从而导致X射线强度发生衰减,根据衰减后X射线信号的强度反演对应的密度廓线。本文根据X射线掩星探测的应用需求,论证了基于X射线掩星实现大气密度反演的新方法,重点介绍了光变曲线拟合和能谱拟合两种地球中高层大气密度反演算法,分析了X射线掩星探测反演大气密度的研究进展和研究方法,对基于X射线掩星反演大气密度的优点进行分析和讨论,进而对X射线掩星探测的应用场景进行展望。结果表明,作为一种新型中高层大气密度测量手段,X射线掩星探测可对中高层大气密度实现有效探测,弥补了目前中高层大气密度实测数据的不足。

基于X射线能谱拟合的地球中性大气数密度反演模拟及误差分析

利用X射线掩星技术可以反演得到地球高中层和低热层总的中性大气密度,这是其他手段很难探测到的区域.通过模拟NICER望远镜观测蟹状星云(Crab Nebula)的地球大气掩星过程,在1~10 keV能量范围内,对X射线地球大气掩星期间的光变曲线和能谱建模,通过对不同海拔高度范围内的能谱模型添加噪声,生成能谱仿真数据,通过非线性最小二乘拟合方法对模型和数据进行拟合,得到地球大气密度反演结果.作为NICER望远镜主要的科学仪器,X射线定时仪(XTI)拥有很高的吞吐量和背景噪声的低敏感性,可以模拟生成信噪比很高的光变曲线和能谱数据.通过光变曲线的模拟结果发现,对于能量范围在1~10 keV的X射线,掩星发生在100~200 km的海拔高度范围内,对该掩星过程中1~10 keV的衰减能谱进行提取,并用能谱模型对其进行拟合从而可以反演得到地球中性大气密度.本文中,NRLMSISE-00模型的大气密度被选为真值,用来生成能谱仿真数据,NRLMSIS 2.0模型的大气密度被选为的初值,用来构建模型能谱并与能谱仿真数据进行拟合.通过对不同海拔高度范围内的模型能谱和仿真数据的拟合,得到修正因子γ的最佳拟合值,计算修正因子γ的最佳拟合值与初值的乘积,得到地球大气密度的反演结果.对不同海拔高度范围内的模型能谱和仿真数据的拟合结果进行统计学分析,计算最佳拟合模型和仿真数据之间的χ^(2)/dof和p值(p-value),从而评价最佳拟合模型和仿真数据之间的拟合优度,并计算地球大气密度的反演结果与真值之间的测量误差,发现100~115 km高度范围内的大气密度反演结果与模型真值之间的测量误差介于-0.067%~10.22%之间,115~180 km高度范围内的大气密度反演结果与真值之间的测量误差介于-3.67%~1.92%之间,180~200 km高度范围内的大气密度反演结果与真值之间的测量误差介于-8.03%~0.305%之间,最后分析了影响反演结果测量误差的因素.