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Title
Gamma-ray burst localisation studies for the SPHiNX satellite / by Lea Alina Heckmann
Additional Titles
Lokalisierungsstudien für Gamma-Ray Bursts mit dem Satelliten SPHiNX
AuthorHeckmann, Lea Alina
CensorJeitler, Manfred
PublishedWien, 2018
Description68 Blätter : Illustrationen, Diagramme
Institutional NoteTechnische Universität Wien, Diplomarbeit, 2018
Annotation
Zusammenfassung in deutscher Sprache
LanguageEnglish
Document typeThesis (Diplom)
Keywords (DE)Gammastrahlenblitze / Satellitenexperiment / Polarisierung / Lokalisierung
Keywords (EN)Gamma Ray Bursts / satellite experiment / polarization / localisation
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-115944 Persistent Identifier (URN)
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Gamma-ray burst localisation studies for the SPHiNX satellite [3.86 mb]
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Abstract (German)

Das Satelliten-Polarimeter für hoch energetische Röntgenstrahlen (SPHiNX) ist eine vorgeschlagene Satellitenmission mit dem Ziel, die Polarisation der prompten Emission von Gammablitzen (GRB) im Energiebereich von 50-600 keV zu messen. Gammablitze sind intensive, hoch energetische Explosionen, welche einbis zweimal am Tag zufällig am Himmel auftreten. Es wird angenommen, dass sie durch die Verschmelzung zweier kompakter Objekte oder des Kernkollapses eines super-massiven Sterns entstehen. Polarisationsmessungen könnten Aufschluss darüber geben, wie die Strahlungsemission der Gammastrahlen dabei vor sich geht. Die Positionsbestimmung der beobachteten Gammablitze ist ein wichtiger Parameter für die polarimetrische Leistung, da die Unschärfe der Positionsbestimmung Auswirkungen auf die Kennzahlen der Polarisations-messung hat. Die Kenntnis der Position innerhalb eines 5 Rahmens, insbesondere der polaren Komponente, ist notwendig, um die Polarisationsmessungen nicht zu beeinträchtigen. Diese Projektstudie untersucht die Lokalisierungsfähigkeit von SPHiNX mithilfe dreier Methoden basierend auf Monte-Carlo Simulationen. Die erste dieser Methoden stützt sich auf die geometrische Korrelation zwischen dem Hit-Muster innerhalb des Detektors und dem Azimutalwinkel des GRBs. Zur Durchführung der beiden anderen Vorgangsweisen werden Datenbanken von Hit-Mustern erzeugt und mit Test-Mustern durch die statistischen Methoden der chi 2-Minimierung oder der Maximierung der Likelihood-Funktion verglichen. Dabei dienen vier Parameter als Validierung der Methoden und der Lokalisierungsfähigkeit von SPHiNX: viz. die Offsets und Unschärfen des azimutalen und polaren Winkels. Die geometrische Methode hat den Vorteil einer sehr schnellen und einfachen Bestimmung des Azimutalwinkel ohne von dem Energiespektrum des Gammablitzes abhängig zu sein. Sowohl der Offset als auch die Unschärfe zeigen eine sinusförmige Abhängigkeit zum ursprünglichen Azimutalwinkel. Während die Unschärfe innerhalb von 1.5-2.5 fluktuiert, befinden sich die Spitzen der Offset-Sinuskurve bei 10. Beide Datenbankmethoden dokumentieren eine starke Abhängigkeit von dem in der Datenbank verwendeten GRB Energiespektrum. Dies wird durch eine Skalierung der Datenbank zu dem gewünschten Spektrum ausgeglichen, wobei das benötigte GRB Spektrum während der Mission mithilfe der "response matrix" von SPHiNX rekonstruiert werden kann. Die erhaltenen Lokalisierungsergebnisse scheinen großteils vom ursprünglichen Polarwinkel beeinflusst zu sein. Für die meisten Positionen innerhalb des Sichtfeldes von SPHiNX befinden sich sowohl die Offsets wie auch die Unschärfen innerhalb der 5. Etwas höhere Werte können für zentralere Positionen auftreten. Diese Resultate wurden mithilfe von mittel-intensiven Gammablitzen ermittelt, wobei sich die Lokalisierungsgenauigkeit mit steigender Intensität weiter verbessert. SPHiNX ist nicht sensitiv genug, um die Polarisation von GRBs mit schwächeren Intensitäten zu messen. Zusammenfassend ergibt diese Machbarkeitsstudie ausreichend gute Lokalisierungs-resultate, die einen positiven Eindruck für die Lokalisierungsfähigkeit von SPHiNX erlauben.

Abstract (English)

The Satellite Polarimeter for High eNergy X-rays (SPHiNX) is a proposed satellite mission designed to measure the polarisation of the prompt emission phase of gamma-ray bursts (GRBs) within the range of 50-600 keV. GRBs are bright flashes in the sky originating from the mergers of compact objects or super-massive star collapses. Determining the polarisation angle and degree of the highly energetic radiation is predicted to improve the understanding of the radiative processes taking place at the emitting site. An essential parameter for the polarimetric performance is the knowledge of the GRB location since it is proven to influence the polarisation figures of merit. An uncertainty of 5 or less in the polar angle of the GRB with respect to the polarimeter is expected to be crucial for an unimpaired polarimeter performance. The feasibility study investigating the localisation capability of SPHiNX introduces three methods using Monte-Carlo simulations. The most basic approach exploits the geometric correlation between hit patterns inside the detector and the azimuthal GRB position, while the more advanced methods are based on producing databases of hit patterns and their comparison with test datasets by applying the statical methods of chi 2 minimisation and maximum likelihood. Four parameters were defined to validate the methods and localisation capability: viz. the offsets and uncertainties in the azimuthal (phi) and polar (theta) angles. The geometric method has the advantage of giving fast azimuthal positioning without depending on the GRB energy spectrum. Both azimuthal offset and uncertainty show a sinusoidal dependency on the original azimuthal position. While the uncertainty stays inside 1.5-2.5, the offset peaks at 10. First estimations for the polar uncertainty predict an order of magnitude of around 5. The two database methods show strong dependencies on the energy spectrum used to produce the database. This dependency is accounted for by rescaling databases to the relevant spectrum due to the assumption that the GRB spectrum can be reconstructed during operation using the response matrix of SPHiNX. The obtained localisation results are mostly influenced by the original polar angle. For most positions within the field of view, the offsets and uncertainties stay inside the 5 limits, some higher values can occur for more central positions, however. While these results were obtained by using GRBs with median fluences, the localisation precision improves for higher intensities. SPHiNX lacks the necessary sensitivity to measure polarisation for GRBs with weaker fluences. In conclusion, sufficiently precise localisation results seem to be obtainable, which leads to a positive impression of the SPHiNX localisation capability.

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