Abstract in English

Das "INTERnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory" (INTEGRAL) der Europäischen Raumfahrtbehörde ESA wurde am 17. Oktober 2002 gestartet. Es hat zwei Gamma-Teleskope, den Imager IBIS und das Spektrometer SPI, sowie Röntgen- und optische Monitore an Bord. Das Spektrometer SPI kann 20 keV - 8 MeV Photonen mit einer Auflösung von 2,3 keV bei 1,3 MeV messen; es verwendet hierzu 19 hochreine Ge-Detektoren. Eine kodierte Maske aus einer Wolframlegierung liefert räumliche Information mit einer Auflösung von ~2,5° in einem voll kodierten Blickfeld von 16°.
Um die Abbildungseigenschaften von SPI detaillierter zu untersuchen, als dies während der Kalibration des Fluginstruments möglich war - die in den engen Zeitplan der Satellitenintegration eingefügt war -, erstellte ich das "SPI Imaging Test Setup" (SPITS) am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik. SPITS besteht aus einer kodierten Maske und zwei Ge-Detektoren. Die kodierte Maske basiert auf einem SPI-Entwicklungsmodell und ist aus denselben Materialien wie die SPI-Maske. Die zwei hexagonalen Ge-Detektoren in ihren Al-Kappen stammen aus der Fluginstrumentfertigung und befinden sich in einer gemeinsamen Vakuumkappe. Sie können auf einem XY-Tisch bewegt werden, um die 19 Positionen der SPI Ge-Detektoren abzudecken. Daten von 11 Positionen des XY-Tisches werden zu einer SPITS-Messung von 19 Ge-Spektren kombiniert. Dies ist in einer Laborumgebung unter Verwendung von radioaktiven Quellen machbar, da weder Quellaktivität noch Hintergrund während einer Messung signifikant schwanken.
Mit SPITS wurden drei verschiedene Quelltypen gemessen: punktförmige Laboreichquellen mit starken Linien zwischen 60 keV und 1836 keV, eine ausgedehnte 511 keV-Quelle, bestehend aus einer 88Y-Quelle und einer Bleischeibe, und mit Protonen bestrahlte Beschleunigertargets, die Photonen bis 9 MeV emittierten. Alle Quellen wurden 9 m von der SPITS-Detektorebene plaziert. Die Messungen mit punktförmigen Laborquellen deckten viele Einfallsrichtungen ab, die in den SPI-Eichmessungen nicht vorkamen - insbesondere sieben Einfallsrichtungen, die zum kleineren der standardisierten SPI-Pointierungsrastermuster zusammengesetzt werden können, sowie eine Reihe von Messungen, die das Synthetisieren von gerasterten Beobachtungen von zwei Quellen ermöglichen, die 0,5°, 1,0°, 1,5°, usw. voneinander entfernt sind. Weder ein hexagonales Rastermuster noch eine gerasterte Beobachtung von Quellen mit Entfernungen von weniger als 1° können aus den SPI-Kalibrationsdaten generiert werden. Außerdem wurde weder eine Abbildung von ausgedehnter Emission noch eine abbildende Messung von Quellen oberhalb 3 MeV während der SPI-Instrument-Kalibration versucht.
Um das Bild des "Himmels" aus einer Dekonvolution der gemessenen Photonenanzahl in einer Linie in den 19 Ge-Detektoren zu erhalten, muß die Instrumentantwort auf Photonen aus allen möglichen Einfallsrichtungen bekannt sein. Die erforderlichen "Instrument Response Functions" (IRFs) für SPITS mit Quellen in 9 m Abstand wurden mit der Simulationsplattform für Teleskope mit kodierten Masken CAPTIF im "ray-tracing"-Verfahren erstellt. Ich diskutiere das CAPTIF-Massenmodell und vergleiche es mit einem GEANT-Massenmodell und gemessenen Eigenschaften von SPI- und SPITS-Komponenten. Nach Einführung eines Korrekturfaktors stimmen von den IRFs vorhergesagte und gemessene Detektorzählraten für zwei Einfallsrichtungen und mehrere Photonenenergien generell innerhalb 2 sigma überein.
Beide SPI-Standardbildanalyseverfahren, spiskymax und spiros, wurden zur Analyse von SPITS-Daten herangezogen. spiskymax, primär für die Abbildung ausgedehnter Emission entwickelt, verwendet Entropiemaximierung, um die Flußverteilung zu bestimmen. spiros ("SPI Iterative Removal of Sources") ist in erster Linie für Punktquellen gedacht. In einem Cross-Korrelationsbild des Himmels wird die hellste (verbleibende) Quelle lokalisiert und anschließend im Datenraum subtrahiert; dieser Prozeß wird wiederholt, bis alle signifikanten Quellen gefunden sind.
Da es kein klares, einfaches Kriterium für die Beendigung der Entropiemaximierungsanalyse gibt, habe ich das Verhalten von spiskymax mit simulierten Datensätzen studiert, um die optimale Iterationsanzahl für die SPITS-Punktquellenanalyse als Funktion der Quellstärke zu bestimmen.
Die Fähigkeit von SPITS, eine Punktquelle zu lokalisieren, ist, wie erwartet, stark von der Signifikanz der Quelle und der Beobachtungsstrategie (mit oder ohne Rastern) abhängig; außerdem besteht eine leichte Abängigkeit vom Winkelabstand der Quelle zur Instrumentachse. Bei der Beobachtung von Labor-Punktquellen erreichen spiskymax und spiros auch ohne Rastern regelmäßig Lokalisierungsgenauigkeiten unterhalb 10'. Sowohl mit spiskymax als auch mit spiros finde ich eine Korrelation der rekonstruierten Quellpositionen mit den räumlichen Gitterpunkten am Himmel, für die die IRFs berechnet wurden.
Beobachtungen von zwei Quellen konnten durch Addieren von Spektren, die mit einer Quelle an verschiedenen Positionen aufgenommen wurden, erzeugt werden. Auf dieser Basis kann die Fähigkeit des Abbildungssystems (Instrument, IRFs und Analysesoftware) bestimmt werden, zwei benachbarte Quellen zu trennen und korrekt zu lokalisieren. Selbstverständlich ist diese Fähigkeit wieder von der Signifikanz der Quellen abhängig. Bei nicht gerasterten Beobachtungen erweist sich spiros als nicht sehr verläßlich (grob korrekte Positionierung in weniger als 80% der Fälle), und die zwei hellsten Maxima im spiskymax-Bild sind selbst für Quellabstände über 2° oft mehr als 0,2° von den wahren Positionen entfernt. Rastern verbessert die Ergebnisse enorm: in allen spiros- und fast allen spiskymax-Rekonstruktionen von Quellen, die mehr als 1° voneinander entfernt sind, sind beide Quellen innerhalb von 0,2° korrekt lokalisiert. Zum Beispiel werden zwei 1° voneinander entfernte 22Na-Quellen von spiros in einer gerasterten Beobachtung auf 8' genau lokalisiert (auf 5' genau für größere Quellabstände).
Auch die spiskymax-Rekonstruktionen der Beschleunigertargets in den jeweiligen Gammalinien ergaben für nicht gerasterte Beobachtungen von ein und zwei Quellen vernünftige Resultate - das 19F-Target zum Beispiel wird in mehreren Linien und an mehreren Positionen auf besser als 0,1° lokalisiert. spiros kann die Targets jedoch aus denselben Datensätzen oft nicht sinnvoll rekonstruieren. Das liegt wahrscheinlich an der Variabilität der "Quellaktivität", die die spätere Kombination von Messungen an den 11 XY-Tischpositionen zu einer Beobachtung problematisch macht. Diese Probleme treten nur mit spiros auf - vielleicht ein Anzeichen, daß dieser Algorithmus sensibler auf Diskrepanzen zwischen IRFs und wahrer Instrumentantwort reagiert.
Die Flüsse der Laborquellen werden innerhalb der kombinierten statistischen und systematischen Fehler von spiskymax und spiros korrekt rekonstruiert. Der größte Beitrag zum Gesamtfehler ist die Unsicherheit in den IRFs und dem IRF-Korrekturfaktor, gefolgt von der Unsicherheit der Quellaktivität. Flüsse werden öfter unter- als überschätzt. Das passt sowohl zu der Tendenz der in den IRF vorhergesagten Zählraten, zu hohe Werte zu liefern, als auch zu einer Eigenschaft von spiskymax, die in den simulierten Beobachtungen sichtbar wurde: Quellflüsse werden initial unterschätzt und nähern sich bei höheren Iterationen asymptotisch den wahren Werten.
Schließlich hat SPITS auch die Fähigkeit eines solchen Abbildungssystems (mit spiskymax) unter Beweis gestellt, Ausdehnung und Fluß einer flächigen 511 keV-Quelle recht gut zu rekonstruieren.
Viele Ergebnisse der SPITS-Studie, so z.B. Eigenschaften der Abbildungsalgorithmen, Simulationsergebnisse und das (unbeabsichtigte) Wiederfinden der IRF-Gitter in der Verteilung der Punktquellenpositionen, können direkt auf SPI übertragen werden. Bei anderen muß man die Eigenschaften des SPITS-Datensatzes und der IRFs im Auge behalten: starke Quellen wurden in einer Umgebung mit niedrigem Hintergrund aufgenommen, die Quellen waren nur 9 m von der Detektorebene entfernt und die IRFs sind grober als die für SPI verfügbaren.