怎样fit quasar 的连续谱(continua)

一点背景:

这篇文章向大家介绍怎样fit QSO 连续谱,QSO连续谱对于很多science极其重要,至少有一大块QSO 相关的science (black hole的各种性质), 还有一大块是IGM(星系际介质)相关的科学。 一条准确的连续谱不但可以让我们准确的知道black hole 物理的一些性质(利用一些金属线的宽度可以了解黑洞吸积,宽线区,窄线区各种性质),还可以让我们准确的知道QSO的光穿过IGM时在line-of-sight各个位置上面有多少中性氢 (Lya forest), 从而知道重子物质在宇宙中的分布,重子和暗物质在大尺度上又是引力平衡的,知道了重子分布,也就知道了暗物质的分布。大家可以参考SDSSIII DR9 BOSS survey, 要知道有上百个一流的教授和研究员就是在去年(2012)年底应用QSO 被吸收的连续谱,绘制出了宇宙z~2 (100亿光年远) 的重子+暗物质分布,从而限制重子比例,暗物质,暗能量等重要宇宙学常数(Baryonic Acoustic Oscillation). 要想准确的知道有多少中性氢,准确地fit QSO 连续谱是极其重要的。本文讲的就是QSO 连续谱fitting的方法,本文参考的主要目前最精确的Khee-Gan Lee et al. 2011 & 2012 fitting的方法,如果有需要做相关science的同学,作为一般介绍,本文不涉及具体的程序细节, 但欢迎联系我深入的讨论code部分 (caiz0528 at gmail dot com)。

QSO_spectra                                      图1, Rest-frame QSO continuum

cartoon_lyaforest

图2,Cartoon of QSO continua and Lya forest

Lya_forest

图3, real spectra of Lya forest

 

fit QSO continuum:

Fit QSO continuum 最难的地方就是Lya蓝端的地方,因为蓝端有中性氢的吸收,不知道continuum 形状是什么,而且强度应该在什么level, 红端比较容易fit, 因为除了少量金属线以外没有任何大尺度的星系际介质的吸收,直接用power law fit 就可以。

为了解决这个问题,现在QSO continua的fit 采用 template fitting + mean-flux regulation + Damped-Lya-Absorber mask 的方法。

(1). Template fitting: 就是找50个有代表性的低红移,高信噪比的QSO 光谱,就构成一组完备的正交基,任何一个QSO 光谱被认为都可以用这50个有代表性的光谱来线性组合。这其实也是利用了QSO 光谱形状不随红移演化这一个性质。各个红移的QSO光谱都可以用低红移的QSO 光谱做template. 具体fit 时,考虑到蓝端不清楚连续谱shape和amplitude (because of IGM), 我们只fit lya 红端,由于低红移的IGM中性氢比例很低,所以低红移QSO Lya蓝端就代表了 intrinsic 的continuum. 又因为QSO 光谱在各个红移处形状相似, 所以我们根据红端的template fit, 然后应用这个template fit,就得到了QSO 蓝端continua的形状和大概的强度.

qso_continua

图4: 蓝颜色虚线就是PCA fitting 的结果

(2). Mean-flux regulation:

由template fit很好的得到了Lya红端,也由template预测了蓝端continua的形状和大概的强度,我们还要精确的改正蓝端continua的强度。这就用这个红移处的平均光深来scale. 具体的方法就是我们略微调整continua的强度, 让Lya forest的平均吸收等于这个红移处应该有的平均吸收。其实这个调整后面可以知道,是不大的,从这点,也说明了QSO intrinsic continua形状不随红移怎么变,红端fit 好,蓝端形状就定下来,且强度基本上perdict的就不错。 但是精确的IGM science还要做这么一个scale. 我们知道,mean_optical_depth (<tau(z)>) = 0.001845(1+z_abs)^3.924 (Lee et al. 2012).


qso_continua

图5: 红颜色(没有改正DLA absorption)和黄颜色的虚线就是在PCA fitting 的基础上又做了mean-flux regulation.

(3). DLA mask:

从上图可以看出,有一个大的absorption在Lya 的蓝端,这个吸收叫做DLA吸收。这不是IGM引起的,如果不改正,将很影响continuum在QSO Lya emission 蓝端的fitting.  DLA实际是一些星系有中性氢的盘,由于密度特别大(high column density),从而造成很宽的吸收,有的在上百个Angstrom(纯的量子力学效应, google: DLA absorption).  这不是IGM的吸收,而是galaxy 的吸收,在红移z=2.5的地方,每两个QSO 光谱就可以发现有一个DLA. 如果我们不改正DLA,continua的mean-flux很大一部分就不是IGM造成的,用IGM mean-flux的改正就不对。所以改正DLA的吸收是很重要的。好在DLA的吸收是一个纯量子力学效应,与星系具体的kinematics 几乎无关,所以什么样的 DLA 都可以用Voigt Profile 来拟和,根据吸收的轮廓,我们可以准确判断DLA并且改正掉。

dla_mask

 

图6: black line represents absorptions by DLA, redline is wing part correction, central dark core has been masked.

应用了这三步,我们基本上就得到了目前最精确的QSO continua. 有兴趣并且工作在这个领域的同学可以联系我交流具体的程序(caiz0528 at gmail dot com) (也可以看paper Khee-Gan Lee et al. 2011, 2012)。最好的fit 是黄颜色的虚线。

 

参考文献:

主要参考Khee-Gan Lee et al. 2011 & 2012.

 

 

 

 

 

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