XSPEC光谱分析

在得到X波段图像之后,我们可以通过拟合光谱来测量天体温度、金属丰度等信息,就要用到XSPEC。作为X射线光谱分析的通用软件,已经被包含在NASA的高能物理套件HEASOFT之中。是X射线分析套件XANADU的主要组件。这个名字本来是元上都的英译,马可波罗曾在他的游记中极力描绘那里的奢华繁荣,后又经英国诗人柯勒律治题诗歌颂,而演变为东方仙境的代名词。

言归正传,下面我们采用上文得到的 MACS J0257.6-2209 定标文件来提取光谱。如果不想重复前面的步骤,只需提取压缩包primary目录下的evt2.fits 文件,执行下面的命令即可。

因为星系团是展源,为了消除背景AGN的影响,我们先用wavdetect做小波探测找出图中的所有点源。

可以直接在事件文件中查看找到了多少点源

也可以直接在ds9中显示出来。

点源探测

检查是否有误判的区域,确认无误后,就可以剔除点源来提取光谱了。

在ds9中选出整个星系团。保存位置文件(cl.reg )。然后就可以提取光谱了。

但是,我们选取的星系团区域中,并不全是来自星系团的光子。空间高能粒子,银河系X射线背景,无法分辨的遥远AGN都混杂其中。同可见光观测要做平场一样,我们还需要背景文件。获取背景文件有两种途径,一种是望远镜对空白天区的长时间曝光blank-sky background,但由于望远镜本身的状态变化,不同时期的背景文件并不通用,需要根据状态参数找到对应的修正文件。这个方法有些复杂,我们这里采用另外一种:利用CCD上的空白区域来提取背景。既然图像上的点源和星系团都已经挑出来了,剩下的就都是背景了。但选取时仍需要注意,尽量选取靠近星系团的区域,尽量使用目标所在的CCD,同时不要和图像边缘靠得太近。但如果星系团很大,占据了整个画面,就只有前一个方法可用了。

由于X射线望远镜对不同能段光子的有效探测面积和能量分辨率都不同,而且还随时间和位置变化。因此每次观测,我们都需要根据星系团所在位置计算响应文件。包括修正光子分布的Redistribution Matrix Function (RMF)和记录量子转换效率和有效面积的Ancillary Response File (ARF)。更具体的介绍可以参考MIT工作组的文档

生成的响应文件可以通过rmfimg转换为图像来检查。

响应文件

左侧为ARF右侧为RMF,横轴均为能道编号,纵轴为光子原始能量。对于ARF,由于硬X射线掠射角增加,望远镜有效面积减小,探测器量子效率也同时降低,因此呈现自下而上的递减趋势。而RMF在理想状态下应为狭窄的对角直线,每个光子都进相应的能道,但实现起来非常困难,只能根据所在能道反推原始能量分布。
现在我们已经准备好了全部文件,将所有这些文件同光谱关联到一起。

在拟合光谱之前,还要考虑银河系晕中的中性氢消光,这与天体位置有关。

我们采用最后一个加权平均值。终于可以运行XSPEC了。

cpd /xw
#设置输出到屏幕,如果保存为文件则是 cpd file.ps /cps
data cl_grp.pha
# 载入光谱
show rate
# 显示计数率,曝光时间等信息
query yes
setplot energy
# 設定显示模式为能谱
abund angr
# 設定太阳金属丰度参考值,这里取Anders和Grevesse于1989发表的数据。详细列表
notice **-**
ignore bad
ignore 0.0-0.5
ignore 8.0-**
# 显示光谱 0.5-8.0 keV 的部分
setplot rebin 3 20
# 显示时合并部分通道,方便查看。后面两个值分别是最小信噪比和最大bin size。
plot ldata
# 对数显示,就可以看到文章开头的光谱了。

statistic cstat
# 采用 C-statistic 统计
model tbabs*mekal
# 定义模型,下面按提示输入参数。注意这里的中性氢密度nH 单位是10^22 atoms/cm^–2。详见Xspec用户手册。温度(2)、金属丰度(4) 以及归一化参数(7)是我们要拟合的,随便给个初值。红移在BAX星系团数据库中可以查到: 0.322(Simbad 和 NED中还没有)。

freeze 1 3 5 6
thaw 2 4 7
#設定自由参数为2 4 7
renorm
fit 20 1e-2
#默认采用 Levenberg-Marquardt 算法拟合,需指定迭代次数,精度可选。

steppar 2 0.1 10 20 4 0.1 0.6 20
# 如果为单参则直接给出一维分布
二参概率分布
plot contour
# 显示结果如右图所示。可以看出温度在10keV左右误差较小,金属丰度不确定性较大。下面计算这两个参数的 $$1\sigma$$误差,虽然前面的拟合结果中也有,但并不可靠。如果没有steppar一步,算误差时还可能发现新的最优值,所以还是再算一下比较放心。

setplot device spec.eps /cps
# 输出到指定文件
setplot rebin 3 20
#setplot 只改变显示效果,不影响实际数据,因此每次绘图都要重设
plot ldata res
# 增加残差部分
quit

这样我们就完成了X射线光谱拟合,得到了星系团MACS J0257.6-2209 的温度 T= 10.75 +/- 0.92keV 以及金属丰度 Z=0.44 +/- 0.13 。

拟合结果

参考资料:《Spectral fitting: XSPEC》2009

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