[논문 리뷰] XMM-Newton and Chandra Cross Calibration Using HIFLUGCS Galaxy Clusters: Systematic Temperature Differences and Cosmological Impact

Gerrit Schellenberger, T. H. Reiprich외 3명|arXiv (Cornell University)|2014. 04. 28.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 36인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 64개의 HIFLUGCS 은하단을 이용해 XMM-Newton와 Chandra X선 기구 간의 교차 캘리브레이션을 수행하여, 유효 면적 캘리브레이션 불확실성으로 인한 체계적인 온도 차이를 밝혀냈다. 10 keV에서 XMM-Newton/EPIC의 온도는 Chandra/ACIS보다 약 23% 낮으며, 이는 우주론적 제약에서 Ω_M에 대해 약 8%의 이동을 유도한다—이 정도는 Planck CMB/SZ 갈등을 해결하기에는 부족하다.

ABSTRACT

Cosmological constraints from clusters rely on accurate gravitational mass estimates, which strongly depend on cluster gas temperature measurements. Therefore, systematic calibration differences may result in biased, instrument-dependent cosmological constraints. This is of special interest in the light of the tension between the Planck results of the primary temperature anisotropies of the CMB and Sunyaev-Zel'dovich plus X-ray cluster counts analyses. We quantify in detail the systematics and uncertainties of the cross-calibration of the effective area between five X-ray instruments, EPIC-MOS1/MOS2/PN onboard XMM-Newton and ACIS-I/S onboard Chandra, and the influence on temperature measurements. Furthermore, we assess the impact of the cross calibration uncertainties on cosmology. Using the HIFLUGCS sample, consisting of the 64 X-ray brightest galaxy clusters, we constrain the ICM temperatures through spectral fitting in the same, mostly isothermal, regions and compare them. Our work is an extension to a previous one using X-ray clusters by the IACHEC. Performing spectral fitting in the full energy band we find that best-fit temperatures determined with XMM-Newton/EPIC are significantly lower than Chandra/ACIS temperatures. We demonstrate that effects like multitemperature structure and different relative sensitivities of the instruments at certain energy bands cannot explain the observed differences. We conclude that using XMM-Newton/EPIC, instead of Chandra/ACIS to derive full energy band temperature profiles for cluster mass determination results in an 8% shift towards lower OmegaM values and <1% shift towards higher sigma8 values in a cosmological analysis of a complete sample of galaxy clusters. Such a shift is insufficient to significantly alleviate the tension between Planck CMB anisotropies and SZ plus XMM-Newton cosmological constraints.

연구 동기 및 목표

• XMM-Newton/EPIC와 Chandra/ACIS 간 유효 면적 및 온도 측정에서의 체계적 캘리브레이션 차이를 정량화한다.
• 이러한 캘리브레이션 불확실성이 우주론적 파rameter 추정치, 특히 Ω_M와 σ_8에 미치는 영향을 평가한다.
• 관측된 온도 불일치의 원인이 물리적 은하단 구조인지, 또는 기구의 에너지 응답 차이인지 파악한다.
• 다른 기구 간에 온도와 질량을 일관되게 변환할 수 있는 스케일링 관계를 제공한다.
• 캘리브레이션 차이만으로 Planck CMB와 Sunyaev-Zel’dovich 은하단 데이터 간의 갈등을 설명할 수 있는지 평가한다.

제안 방법

• 동일한 공간 영역을 사용하여 64개의 X선 빛나는 HIFLUGCS 은하단에 스펙트럼 피팅을 적용하여 기구 간 온도 측정치를 비교한다.
• 에너지에 따라 변하는 유효 면적 캘리브레이션 불확실성을 정량화하기 위해 스택드 잔차 비율 방법을 적용한다.
• 온도 불일치를 분리하기 위해 부드러운(0.72 keV) 및 딱딱한(27 keV) 에너지 대역에서 온도 차이를 분석한다.
• 스펙트럼 피팅 에너지 대역을 변화시키고 다온도 구조를 모델링하여 불일치의 물리적 원인을 테스트한다.
• 수소 열두께 연구를 통해 흡수 관련 효과가 온도 차이의 원인임을 배제한다.
• 기구 간 일관성을 확보하기 위해 유효 면적, 온도 및 정적질량 기반의 변환 공식을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 XMM-Newton/EPIC와 Chandra/ACIS 간 체계적 유효 면적 캘리브레이션 차이의 크기와 에너지 의존성은 무엇인가?
• RQ2 이러한 캘리브레이션 차이가 HIFLUGCS 샘플 전반에 걸쳐 X선 온도 측정치에 체계적 편향으로 어떻게 작용하는가?
• RQ3 물리적 은하단 특성(예: 다온도 구조)이 관측된 온도 불일치를 어느 정도 설명하는가?
• RQ4 은하단 질량 함수 및 우주론적 파rameter 추정치에 있어서 Chandra 대비 XMM-Newton를 사용할 경우 우주론적 영향은 어떠한가?
• RQ5 캘리브레이션 불확실성만으로 Planck CMB 1차 비균일성과 Sunyaev-Zel’dovich 은하단 측정치 간의 격차를 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 전체 에너지 대역에서 피팅할 경우, XMM-Newton/EPIC의 온도는 Chandra/ACIS보다 10 keV의 은하단 온도에서 평균적으로 약 23% 낮다.
• 온도 불일치는 은하단 온도가 높아질수록 증가하며, EPIC-PN와 ACIS 간 10 keV에서 29%의 차이를 관측했다.
• 부드러운 에너지 대역(0.72 keV)에서의 체계적 차이가 관측된 온도 불일치의 주요 원인이며, 물리적 은하단 구조나 에너지 대역 선택과는 무관하다.
• 스택드 잔차 비율 방법은 1 keV에서 3 keV 사이에서 ACIS와 EPIC-PN 간 유효 면적 불확실성이 약 20% 증가함을 밝혀냈다.
• 은하단 질량 함수 분석에 XMM-Newton를 Chandra 대신 사용할 경우, Ω_M는 약 8% 낮아지고 σ_8는 1% 미만으로 변화한다.
• 관측된 캘리브레이션 차이는 Planck CMB와 Sunyaev-Zel’dovich 은하단 제약 간 갈등을 설명하기에는 부족하며, 여전히 상당히 큰 폭의 격차가 존재한다.