GK-Per与白矮星(第二部分)

上节讲到GK-Per爆炸后的情况,但后来故事更有趣了,因为天体在不频繁的小爆发期间(每三年左右)开始以一种非常特殊的方式发射大量的X射线。让我们回到DS9,看看有什么发现。
再次打开DS9观察X射线。转到【分析】,【虚拟天文台】,使用网络代理连接,【Rutgers primary MOOK】,观测编号3454,点击标题,出现图像了。
现在我们要看光变曲线。转到【分析】,点击虚线,把菜单拖过来,转到【Chandra-Ed 分析工具】,再点击虚线,把菜单拖过来,然后点击【FTools/Light Curve】,点击确认绘制光曲线数据,出现结果了。
这个曲线看起来上下浮动,可能这里有个峰,这里两个峰,那里还有一个峰。它有规律的周期吗?让我们放大。

把十字光标放在这里,在图中任意位置点击并按住鼠标移动,可以选中一个较小的区域,只显示该区域,该区域内曲线在上升、下降,看起来在2000秒内可能有一,二,三,四、五、六、七个左右的峰。

这不是很精确,还有比目测更好的方法吗?幸运的是,数学通过一种称为傅里叶变换或功率谱的强大工具来拯救我们,让我们看看这是怎么做到的。
可以想象,手动计算物体的可变周期(或周期是否存在)是相当乏味的。来看看数学是怎么解救我们的。首先,想象一个光变曲线,它是强度与时间的关系图,看起来像这样。容易看出,正弦曲线(红色)能近似复现数据。如果光变曲线看起来像这样呢?仍然没有问题。我们可以得到一条非常匹配的正弦曲线。但如果是恒定强度源呢?看起来像这样(y=c)。思考片刻可知,一个频率为0或周期无穷大的正弦波将具有这个特性。记住,频率f=1/周期p。例如,如果正弦波的周期为1/3秒,那么它会在1秒内上下摆动3次。如果某件事发生,比如说每秒七次,它的周期是七分之一秒,以此类推。但如果光变曲线看起来是不规则的(和所有真实光变曲线一样)怎么办?令人难以置信的是,任何光线曲线,无论它看起来多么奇怪,都可以通过一系列不同频率和不同幅度的正弦曲线完全拟合。这真是个奇迹!任意曲线、正弦内分量的这种变换称为傅立叶变换或功率谱。有许多专著论述了这个课题。让我们看看傅立叶变换(也称为功率谱)在各个示例中是什么情况。图一只有一个频率,因此除了该特定频率,其余频率的幅度都为零。图二也是如此,只是频率要高得多。在这种情况下,除了该较高频率,其余频率的幅度为零。现在,如果你很敏锐,会发现我们刚才犯了一个小错误,因为有一个恒定幅度叠加在这两个正弦波上(否则正弦曲线的极值是±A),因此,在我们检查的每条光变曲线中有一个零频率分量,代表光变曲线中强度基本恒定的部分,在此基础上一定量的放射成周期性。图三只有恒定强度分量,因此傅立叶变换只有频率为0的分量。图四需要不同频率的正弦波混合,因此傅立叶变换可能看起来像这样,可能难以判断该数据中是否存在周期性分量。


I=ΣAsinf,f=1/p

现在我们已经了解了这类分析的基础知识,让我们回到DS9,研究真实数据(2002年GK-Per发出的X射线)的功率谱。回到DS9,再次查看【Chandra-Ed分析工具】,在运行光变曲线,也了解功率谱之后,让我们点击【FTOOLS/Power Spectrum】绘制功率谱数据。这是功率谱,显示了准确再现光变曲线所需的所有正弦波频率对应的幅度或功率。让我们放大并详细查看。显然我们对功率谱该区域(最大幅度)感兴趣,因为这是亮度波动的原因。所以我们在附近点击,把选框拖到这里,放大后看到,有一个接近0的频率,这可能是强度的恒定或稳定部分。


功率谱

另一个频率约为每秒0.002-0.003个周期。让我们再次放大,看看它是什么样子的,可以看到在大约0.00284Hz或周期/秒处有一个非常非常强的峰值,将0.00284个周期/秒转换为1个周期,算出大约352秒。现在可以做一些非常酷的事情了。我们可以折叠所有数据,对这个352秒的周期取模,然后把光变曲线的所有上下部分的最大值和最小值放在一起叠加,观察光变曲线的整体结构。来吧。
点击【FTOOLS/period fold】,输入周期值352秒,片段值25,把光线曲线分成25个小部分,即把352秒的总长度分为25个小片段,我们把整个光变曲线拟合到显示面板,点击【OK】生成曲线。
GK-Per折叠的光变曲线上下浮动。你可能要说,它只会上下移动,但注意这里的y轴,y 轴已自动缩放以包含整个观察。它不是从零亮度一直上升,而是从大约0.85亮度单位开始上升。让我们再规范一点,找到【Graph】并单击【Range】,然后弹出一个小框,可以更改x轴和y轴。让我们改变y轴,使它从0而不是0.85开始,然后上升到大约1.2,先保留字段(不点OK),取消勾选“自动”,表示实际上手动执行操作,单击OK,现在可以看到 GK-Per的平均光变曲线实际上是什么样的。很酷。


光变曲线

现在让我们做一些有趣的事情,看看如果使用错误的周期(周期与GK-Per实际周期性变化不匹配)会发生什么。顺便说一句,在我们这样做之前,请注意光变曲线上的红色小刻度线,它表示与测量GK-Per强度有关的误差条。可以看到,不可能用一条直线拟合这个数据,因为误差线太小,不允许这样做。因此,我们确实发现了GK-Per发射X射线的真正周期性成分。现在我们要观察一个使用“错误周期”的周期折叠。关掉这条光变曲线,让我们再来一次,现在周期值不是352,而是输入360,点击OK,哦,这看起来很糟糕。你看Y轴的比例非常奇怪。再转到【Range】,我们还是把范围改成0-1.2(跟刚才一样),取消勾选自动,点击确定,如图所示。
错误周期

如果周期错误,曲线看起来没有周期分量,甚至可以通过这些数据很好地拟合一条直线。在这种情况下发生了什么?我希望你自己找到答案,这样可以学到很多关于光谱、功率谱分析和傅里叶变换的知识。这很有趣,只是犯了一个小错误(分配了一个错误周期),得到的结果和周期性分量大不相同。事实上,这也是为什么我们认为GK-Per在352秒确实存在周期性分量的原因。

现在,我们来问一个问题,GK-Per是否一直周期性发射X射线?比如它在X射线中很亮的其他时候?让我们看看1983年EXOSAT天文台的发现数据。点击DS9,点击【分析】-【虚拟天文台】,使用Web代理连接,【Rutgers MOOK】,滚动页面到GK-Per的非成像观察(non-imaging Exosat observations),点击【EXOSAT GK-PER】,只能看到一个灰色的东西,它这样显示是因为实际上没有图像,记得很久前(几周前)谈到的图像形成,所以EXOSAT观测看起来只是一团灰,但是里面有X射线,看看研究它们时会发生什么。让我们转到【Chandra-Ed 分析工具】,点击虚线,哦,不能直接这样搞,需要先点击分析下的虚线切分菜单,然后再点击【Chandra-Ed 分析工具】下的虚线切分子菜单。还是老样子,让我们看看光变曲线。绘制光变曲线数据,看到GK-Per可能在运行。它肯定是变化的,但它是周期性的吗?在这里放大一点,在约2300秒内有一,二,三,四,五,六,七,八个左右的峰,周期非常接近300 秒,350秒,我们知道还能做得更好。让我们做一个功率谱!

点击【FTOOLS/Power Spectrum】生成功率谱,拖拽区域放大,然后再放大,由图可见,峰值在频率为0.00283或0.00284处,和钱德拉卫星将近20年后的观测数据相同。既然已经有了功率谱,再看看周期折叠。单击Period Fold,还是输入周期值352秒,片段数25个,生成曲线,转到【图表】-【范围】,将y轴范围调整为0-1.5,取消勾选自动,得到下图。

1982年,EXOSAT天文台计算(或发现)的X射线周期为352秒,和2002年钱德拉卫星观测到的一样。那么这可能是什么?到底是怎么回事?让我们回到黑板,看看能找到什么。
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