RXTE/PCA

From WikiVirgo

Jump to: navigation, search

by Dima Iakubovskyi

Цель данного руководства -- рассказать о возможностях инструмента RXTE/РCA, особенностях закачки данных, а также их обработки в рамках определенной решаемой мной задачи (см. ниже). Следует отметить, что:

  • я не являюсь экспертом во всех возможностях данного инструмента и тонкостях его анализа, поэтому подробно опишу только те возможности инструмента RXTE/РCA и тонкости только того анализа, с которыми я сталкивался (в рамках решаемой задачи -- исследования долговременной переменности ТэВ блазара Н1426+428; конкретнее, анализ с помошью стандартного скрипта rex), не претендуя, таким образом, на полноту изложения анализа RXTE/РCA;
  • задача анализа - производство значений потоков от Н1426+428 в диапазоне 2.9-24 кэВ, а также их 1сигма ошибок;
  • как сторонник свободного доступа к научному програмному обеспечению (результаты научной работы, прежде всего, должны быть проверяемыми), предлагаю Вашему вниманию варианты скриптов, находящиеся здесь и достаточные для решения поставленной задачи;
  • для дальнейшего обсуждения методики обработки данных создан специальный mailing list, подписаться на который можно здесь. После подтверждения подписки, вопросы по инструменту и обработке данных необходимо писать на почтовый адрес virgo.ua_pca@virgo.org.ua. После отправления письма от зарегистрированого пользователя, его содержимое будет доступным по этой ссылке.

Contents

Пару слов о RXTE и PCA -- необходимость использования

Обсерватория RXTE, запущенная 30 декабря 1995 года, работает на орбите и сейчас. В ее составе находятся:

  • All-Sky Monitor ASM, предназначенный для постоянного мониторинга неба на энергиях 1.5-12 кэВ (поиск транзиентов, наблюдение кривой блеска наиболее ярких источников, список наблюдаемых объектов находится по этой ссылке). Монитор состоит из трех камер SSC (Scanning Shadow Camera). Эффективная площадь каждой SSC, согласно astro-ph/9608109, составляет примерно 10, 30 и 23 см2 на энергиях 2, 5 и 10 кэВ, соответственно. Публичные данные предоставляются в виде гистограмм, аккумулирующих события в диапазонах энергий 1.5-3, 3-5 и 5-12 кэВ;
  • Proportional Counter Array (PCA, см. http://astrophysics.gsfc.nasa.gov/xrays/programs/rxte/pca/), состоит из 5 пропорциональных счетчиков (PCUs, Proportional Counter Units), (обычно обозначаемых индексами 0-4) работающих в диапазоне. Этот инструмент имеет весьма большую эффективную площадь, даже по сравнению с современными рентгеновскими телескопами (Chandra/ACIS, XMM-Newton/EPIC, Swift/XRT, Suzaku/XIS), а также более высокое значение максимальной "рабочей" энергии: эффективная площадь каждого PCU на энергиях 2, 5, 10, 20 и 50 кэВ равна примерно 4, 900, 1000, 250 и 100 см2, соответственно, см. http://arxiv.org/abs/astro-ph/9710328. С другой стороны, в инструменте PCA отсутствует анализ изображения, что значительно повышает уровень фона и не позволяет делать точные измерения потока от сравнительно тусклых объектов. Поэтому, основная научная "ниша", занятая инструментом PCA -- долговременные наблюдения (мониторинг) сравнительно небольшого количества ярких объектов. Именно поэтому PCA, (как и Swift/XRT) является оптимальным инстументом для исследования долговременной переменности ярких источников в рентгеновском диапазоне;
  • High-Energy X-ray Timing Experiment (HEXTE, см. http://mamacass.ucsd.edu:8080/hexte/hexte.html), состоит из двух независимых кластеров, состоящих из сцинциляционных счетчиков. Эффективная площадь каждого из двух кластеров на энергиях 20, 50, 100 и 200 кэВ равна приблизительно 900, 900, 700 и 200 см2, соответственно, см. http://arxiv.org/abs/astro-ph/9710328, что делает позволяет HEXTE эффективно работать дополнять PCA на энергиях выше 20 кэВ.

В данной статье я рассмотрю вопрос исследования переменности блазара H1426+428 в рентгеновском диапазоне с помощью инструмента RXTE/PCA. Решение этой задачи базируется на использовании стандартного скрипта rex, входящего в пакет програмного обеспечения HEASOFT, а также последующих, не менее стандартных алгоритмов (что делает написанный ниже анализ достаточно стандартным). Стоит отметить, что использование данных скриптов:

  • не возможно без задания нескольких нетривиальных вводных параметров;
  • не оправдано без четкого понимания, что именно они делают;
  • не решает все стоящие перед человечеством проблемы.

Частично указанные проблемы решены ниже. Подходит ли данный анализ для Вашего конкретного случая - ответ неоднозначен. Со своей стороны, я готов делиться своими знаниями по адресу virgo.ua_pca@virgo.org.ua.

Особенности скачивания данных с RXTE/PCA

Чтобы не скачивать много "лишних" данных, я обычно делаю следующее. Скачивая данные с архива HEASARC, в RXTE Master Catalog выбираю опцию Intermediate Level Products of a Single RXTE Observation (intprods), и выбираю Create download script. В полученном скрипте (разумеется, автоматически) удаляю закачку всех поддиректорий, кроме pca и hexte (необходимых для дальнейшего анализа), изменяю -q на -v (verbose mode) -- и скрипт готов.

Плюс метода состоит в том, что скачивается только то, что нужно для анализа, что позволяет экономить время закачки, трафик и место на диске. Минус в том, что download script получается весьма большой (сотни килобайт - мегабайты), и HEASARCовский веб интерфейс его генерирует иногда около нескольких минут.

Полученные данные разделяются на директории по номеру пропозала, и называются, например, P70154 (данные из этого пропозала были уже обработаны, что важно для перепроверки результатов). Здесь Р указывает "номер пропозала", первая цифра (или две цифры) - 5 - номер цикла подачи годичных заявок на наблюдения RXTE (сейчас заканчивается наблюдения из 12-того цикла, и поданы кандидаты на наблюдения во время 13-того цикла, который будет наблюдаться в 2009 году). Остальные четыре цифры - порядковый номер наблюдения в цикле.

Програмное обеспечение RXTE/PCA

Интегрировано в HEASOFT каждой версии. В этом его и плюс (если HEASOFT работает нормально), и минус (если HEASOFT не работает нормально). Чтобы HEASOFT гарантировано работал нормально, рекомендуется собирать его с source code, установка с бинарников почти гарантировано дает сбои. Следует отметить, что есть места, где он установлен и нармально работает - на данный момент это ВИРГО класс на физфаке (p.virgo.org.ua) и ВИРГО сервер (virgo.org.ua). Кроме того, пользователи ВИРГО сервера могут запускать задачи на кластере ИТФ.

С учетом того, что HEASOFT обновляется часто, приходится его часто переустанавливать. С другой стороны, установка нового софта не дает гарантии того, что старые скрипты будут в нем работать, поэтому советую по возможности не удалять старый HEASOFT - авось пригодится.

Вспомогательные и калибровочные данные RXTE/PCA

Важным компонентом анализа PCA являются вспомогательные и калибровочные данные. Вспомогательные данные могут быть получены по этой ссылке, после чего они должны быть распакованы и подлинкованы/скопированы в директорию, в которой планируется обрабатывать данные. Поскольку версия файлов, находящиеся в этом архиве, не является самой последней, рекомендуется обновлять/добавлять некоторые файлы, такие как:

  • Файл PCA SAA history, содержит информацию о вхождении инструмента в зону повышенной радиации - Южно-Атлантическую Аномалию.
  • Модели фона в режиме FAINT.

Выбор режима FAINT для Н1426+428 (как не очень яркого источника) лежит полностью на моей совести. При потоке от источника больше 40 cts/s/PCU эта модель не работает (поток от Н1426+428, как правило, меньше 10 cts/s/PCU, поэтому совесть все же остается чистой), поэтому необходимо выбирать BRIGHT моду и соответствующие файлы модели фона. Следует отметить, что, поскольку РСА не производит изображения, поток фона моделируется, используя специально смоделированные файлы модели. Поэтому выбор правильной процедуры вычитания фона является критически важным. Я рассмотрю этот вопрос подробнее в следующем разделе.

Калибровочные данные также являются существенной компонентой анализа. Они содержат данные о положении телескопа, текущих параметрах детектора, таблиц перехода от энергетическим каналам к энергии, эффективной площади телескопа и т.п.. Их надо постоянно обновлять. Во всяком случае, надо следить, чтобы результаты были получениы с последней версией CALDB. Другой, более простой, метод -- залинковать на HEASARCовкий ftp -- не работает на физфаке, да и связь с сервером HEASARC бывает не всегда.

Пример скрипта (работающего в ИТФ) для обработки данных RXTE/РCA

Итак, для обработки данных РСА по блазару Н1426+428 (из пропозала P70154; следует отметить, что результаты обработки являются публично доступными, см. http://arxiv.org/abs/astro-ph/0310226. Поэтому результаты работы скрипта могут быть проверены независимо.) я использовал (скорее учебный, чем общий) скрипт rex_70154.csh. Рассмотрим его подробнее. После инициализации переменных (source /virgo/scripts/login) происходит удаление файлов параметров (rm ~/pfiles/*par), процедура довольно полезная (во всяком случае, для Swift/XRT и INTEGRAL/IBIS), т.к. не всякое програмное обеспечение стремится эти файлы перезаписывать, и не перезаписав, может использовать неправильные настройки. Следующий шаг:

pset pcabackest maxmodels=2000

является необходимым, т.к. процедура pcabackest прописывает по умолчанию maxmodels=600, а для новых, более подробных моделей, этого недостаточно (в результате возникает существенная систематическая ошибка). Затем идет генерация т.наз. File Master Index (FMI) - файла, в котором хранится основная информация о наблюдении. Важным шагом является фильтрация FMI - выделение событий, которые содержатся в определенной эпохе фона (например, FMI_epoch5). Полученный FMI будет ссылаться только на те файлы, которые содержат наблюдения из этой эпохи (что важно при обработке пропозалов, находящихся на стыке эпох).

Наличие "эпох" изменения фона является следствием важности процедуры оценки фона. Модель "эпох" подразумевает, что в рамках некоторого отрезка времени фон меняется естественным образом, в результате чего его поведение можно предсказывать с хорошей точностью (чем, как следует из названия, занимается процедура pcabackest), после чего происходит "дезактивация" радиоактивного материала с рабочего объема детектора, и уровень фона достаточно сильно спадает.

Зависимость времени фильтрации от номера эпохи находится здесь. Из нее следует, что пропозал Р70154 наблюдался во время эпохи 5b, поэтому список файлов модели, используемый скриптом rex (model.files), должен содержать именно эти модели фона. После этого обновляется файл layer1.cols (используется только 1 уровень ксенонового слоя, характеристика довольно специфическая, но, насколько я понимаю, нижние слои являются скорее вспомогательными, т.к. их эффективная площадь гораздо меньше, в результате чего они хуже откалиброваны и редко используются, во всяком случае, для не очень ярких объектов). Далее идет обновление файла expression.txt:

echo "ELV > 10.0 && OFFSET < 0.02 && PCU0_ON == 1 && (TIME_SINCE_SAA < 0 || TIME_SINCE_SAA > 30) && ELECTRON2 < 0.1" > aux/expression.txt

Наиболее существенным параметром (поскольку все остальные параметры задаются "по умолчанию") является PCU0_ON == 1, что означает указание обрабатывать данные только из PCU0. Данные каждого PCU рекомендуется обрабатывать (т.е. запускать rex) независимо. Стоит заметить, что обычно из 5 PCU одновременно работают только 1-2, что, разумеется, не лучшим образом сказывается на чувствительности инструмента. Для данного наблюдения были включены PCU0 и PCU2, поэтому мы будем обрабатывать только их.

Стоит отметить, что, поскольку априори не понятно, для какого PCU данные накапливались, а для какого -- нет, имеет смысл "пытаться" обрабатывать данные для каждого из пяти PCU. Полученные же конечные результаты будут свидетельствовать о том, какие PCU были задействованы во время того или иного наблюдения.

И, наконец, сам запуск rex:

rex -d /virgo/storage/unsaved_data/dima806/H1426+428/pca/P70154 -p both -c 0-27 -l 1 -t 01 -r good_p0 | & tee good_p0_P70154.log

Некоторые обозначения (см. также fhelp rex):

  • -d - директория, где хранятся данные (точнее, FMI);
  • -p both - обрадатывать "левый" и "правый" детекторы, по умолчанию;
  • -c 0-27 - номера каналов для обработки (по умолчанию).
  • -l 1 - обрабатывать данные только с первого слоя.
  • -t 01 - номер "таргета". Внутри директории P70154 находится несколько поинтингов, с номерами вроде 70154-01-02-03. Две цифры, следующие за 70154, являются номером "таргета";
  • -r good_p0 - название записи, которая будет добавляться к произведенным файлам (чтобы не путать впоследствии результаты для PCU0 и PCU2)

Следующий шаг -- постоение response matrices. При этом redistribution matrix скачивается с CALDB -- места хранения калибровочных файлов, а зависимость эффективной площади от энергии строится при помощи процедуры pcarsp, например:

pcarsp -f good_p0_layer1.pha -a NONE -l LR1 -j n -m n -p 0 |& tee pcarsp_all_p0.log

Некоторые обозначения (см. также fhelp pcarsp):

  • -f good_p0_layer1.pha - имя обрабатывемого файла спектра (полученного rex);
  • -a NONE - имя attitude file, в котором содердится информация о положении спутника. Указание "-a NONE" рекомендует искать этот файл в CALDB;
  • -l LR1 - обрабатывать первый слой, "левый" и "правый" детекторы;
  • -j n - строить ли response для всего детектора (все слои). Для данного анализа ответ "нет".
  • -m n - строить ли общую response для всех PCU. Для данного анализа ответ "нет".
  • -p 0 - обрабатывать данные с PCU0.

После этого, указанный анализ повторяется для PCU2 (а также других PCU, по мере необходимости)

Анализ Р70154 - резюме

В результате указанного анализа, для каждого наблюдения из Р70154 были получены:

  • кривая блеска для каждого PCU, а также моделированная кривая блеска и фона (отнять их можно, например, с помощью пакета Xronos -- части HEASOFT);
  • полный спектр (источник+фон) для каждого PCU, а также моделированный спектр фона (его необходимо сгруппировать со спетром источника+фона, а также соответствующимии response matrices, это делает процедура grppha, входяющая в состав пакета HEASOFT);
  • для получения потока в фиксированном диапазоне энергий полученные сгруппированные спектры необходимо моделировать при помощи пакета Xspec, входящего в состав HEASOFT. Процедура моделирования в Xspec версии 11 подробно описана здесь. Используемый мной файл модели находится здесь. Следует помнить, что он пригоден только для обработки данных с данного объекта, и в для анализа других объектов должен быть модифицирован!
  • Полученные при этом значения потоков в диапазоне 2.9-24 кэВ можно визуализировать. Для визуализации я обычно использую программу gnuplot; пример входного гнуплотовского файла показан здесь.

Более подробный анализ - ссылки

С учетом вышесказанного, я рассматриваю описанную задачу как учебную, помогающую разобраться в основах анализа RXTE/РCA. С другой стороны, анализ сложный, ошибок (и, как следствие, "открытий") в нем можно наделать много, поэтому дальнейшее изучение анализа просто необходимо для произведения адекватных результатов. Для дальнейшего изучения имеются следующие ссылки:

  • Официальная страница обработки данных RXTE/РCA, находящаяся на сайте HEASARCa.
  • Неофициальная страница Ian M George, посвященная анализу RXTE/РCA с помощью стандантного скрипта rex, поставляемого в пакете программ HEASOFT.
  • И, last but not least, специально созданная для этого ссылка.
Personal tools