[论文解读] XMM-Newton and Chandra Cross Calibration Using HIFLUGCS Galaxy Clusters: Systematic Temperature Differences and Cosmological Impact

Gerrit Schellenberger, T. H. Reiprich+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2014

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 36被引用 5

一句话总结

本研究利用64个HIFLUGCS星系团对XMM-Newton与Chandra X射线仪器进行交叉校准，揭示了由于有效面积校准不确定性导致的系统性温度差异。在10 keV能量下，XMM-Newton/EPIC测得的温度比Chandra/ACIS低约23%，导致宇宙学约束中Ω_M向更低值偏移8%，尚不足以解决Planck CMB/SZ张力问题。

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.

研究动机与目标

• 量化XMM-Newton/EPIC与Chandra/ACIS在有效面积和温度测量方面的系统性校准差异。
• 评估这些校准不确定性对宇宙学参数估计的影响，特别是Ω_M和σ_8。
• 确定物理星系团结构或仪器能量响应差异是否可解释观测到的温度差异。
• 推导用于跨仪器温度与质量转换的标定关系，以实现一致的宇宙学分析。
• 评估校准差异本身是否足以解释Planck CMB与Sunyaev-Zel’dovich星系团数据之间的张力。

提出的方法

• 对64个X射线明亮的HIFLUGCS星系团进行谱拟合，使用相同的空间区域比较不同仪器的温度测量结果。
• 应用堆叠残差比方法，量化仪器间能量依赖的有效面积校准不确定性。
• 通过分析软（0.72 keV）和硬（27 keV）能带的温度差异，分离校准系统误差。
• 通过改变谱拟合能量带并建模多温度结构，检验差异的物理成因。
• 通过氢柱密度研究，排除吸收相关效应作为温度差异的来源。
• 基于有效面积、温度和准静态质量，推导仪器间转换公式以实现跨仪器一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 XMM-Newton/EPIC与Chandra/ACIS之间系统性有效面积校准差异的大小及其能量依赖性如何？
• RQ2 这些校准差异如何在HIFLUGCS样本中转化为X射线温度测量的系统性偏差？
• RQ3 物理星系团特性（如多温度结构）在多大程度上可解释观测到的温度差异？
• RQ4 使用XMM-Newton而非Chandra进行星系团质量函数和宇宙学参数估计，其宇宙学影响如何？
• RQ5 仅靠校准不确定性是否足以解释Planck CMB原初各向异性和Sunyaev-Zel’dovich星系团测量之间的差异？

主要发现

• 在全能量带拟合下，当星系团温度为10 keV时，XMM-Newton/EPIC的温度平均比Chandra/ACIS低23%。
• 温度差异随星系团温度升高而增大，在10 keV时EPIC-PN与ACIS之间差异达29%。
• 软能带（0.72 keV）中的系统性差异是导致观测到温度差异的主要原因，而非物理星系团结构或能带选择。
• 堆叠残差比方法揭示，从1 keV到3 keV，ACIS与EPIC-PN之间有效面积不确定性的增加约20%。
• 若使用XMM-Newton而非Chandra进行星系团质量函数分析，将导致Ω_M向更低值偏移8%，σ_8变化小于1%。
• 观测到的校准差异不足以解释Planck CMB与Sunyaev-Zel’dovich星系团约束之间的张力，后者在量级上仍显著更大。