Imfit ist ein leistungsstarkes Programm zur Anpassung astronomischer Bilder, insbesondere von Galaxien. Es ermöglicht die Modellierung von Galaxienbildern durch die Kombination verschiedener 2D-Funktionen wie elliptische Exponential- oder Sérsic-Profile sowie kreisförmige Gauß-Funktionen. Durch nichtlineare Minimierung von χ² werden die Parameter dieser Funktionen angepasst, um ein Modellbild zu erstellen, das dem Originalbild möglichst genau entspricht. Die Software unterstützt Multi-Threading mittels OpenMP zur Beschleunigung der Berechnungen auf modernen Mehrkernprozessoren.
Kernfunktionen und Flexibilität
Eine herausragende Eigenschaft von Imfit ist die Möglichkeit, einzelne 2D-Funktionen zu Gruppen zusammenzufassen, die sich eine gemeinsame Position im Bildbereich teilen. Dies ermöglicht die Anpassung von Galaxien mit dezentrierten Komponenten oder mehrerer Galaxien in einem einzigen Bild. Parameter können fixiert oder in benutzerdefinierten Bereichen gehalten werden. Das Modellbild kann mit einer Point Spread Function (PSF) – einem Bild, das die Ausbreitung des Lichts beschreibt – gefaltet werden, um die Übereinstimmung mit dem Eingabebild zu verbessern. Spezielle Bereiche des Bildes können zur Faltung mit überabgetasteten PSF-Bildern genutzt werden.
Für die χ²-Minimierung stehen drei Algorithmen zur Verfügung:
- Levenberg-Marquardt (Standard): Effizient und weit verbreitet.
- Nelder-Mead Simplex: Langsamer, aber weniger anfällig für lokale Minima.
- Differential Evolution: Deutlich langsamer, benötigt keine Schätzwerte und ist am wenigsten anfällig für lokale Minima.
Zusätzlich bietet ein Begleitprogramm die Möglichkeit der Markov-Chain-Monte-Carlo (MCMC)-Analyse, die dieselben Parameterdateien, statistischen Ansätze und Bildfunktionen wie das Hauptprogramm verwendet.
Die per-Pixel-Dispersionen für die χ²-Berechnung können aus den Daten, dem Modell oder benutzerdefinierten Dispersions- bzw. Varianzkarten abgeleitet werden. Alternativ können für Bilder mit geringen Zählraten und geringem oder keinem Read-Out-Rauschen Poisson-basierte Maximum-Likelihood-Statistiken wie die Cash-Statistik verwendet werden.
Das modulare, objektorientierte Design von Imfit erleichtert das Hinzufügen benutzerdefinierter 2D-Bildfunktionen. Dies geschieht durch das Schreiben von C++-Code für eine neue Bildfunktionsklasse und die Anpassung einer zusätzlichen Datei zur Einbindung der neuen Funktion.
Verfügbare Bildkomponenten
Imfit unterstützt eine Vielzahl von Bildkomponenten, oft mit elliptischen Isophoten:
- Exponential- und Sérsic-Profile: Mit optionalen “boxy/disky”-Isophotenformen.
- Gauß-, Moffat- und King-Profile: Standardprofile für die Modellierung.
- Interpolierte, skalierte und rotierte PSF-Bilder: Zur Darstellung von Punktquellen.
- Gebrochenes Exponentialprofil: Ermöglicht die Modellierung von Scheibenabbrüchen und Antibrüchen.
- Kern-Sérsic-Profil: Nach Graham et al. (2003) und Trujillo et al. (2004).
- Elliptische Ringe mit Gauß-Profilen.
- Analytische Kanten-Scheibe: Nach van der Kruit & Searle (1981), einschließlich der verallgemeinerten Sech-Funktion nach van der Kruit (1988) für das vertikale Profil.
- 3D-Dichtemodelle: Von exponentiellen Scheiben, gebrochen-exponentiellen Scheiben, elliptischen Ringen und Ferrers-Balken in beliebigen Neigungswinkeln, mit Pixelwerten, die durch Integration entlang der Sichtlinie berechnet werden.
Imfit ist ein Open-Source-Projekt unter der GNU General Public License (GPL).
Downloads und Versionen
Die neueste Version 1.9 von Imfit, veröffentlicht am 27. November 2022, bietet neue Funktionen wie:
- PointSourceRot: Eine neue Bildfunktion zur Reproduktion einer skalierten, gedrehten PSF.
- Option für Lanczos2-Interpolation bei PointSource und PointSourceRot.
- Möglichkeit für Bildfunktionen, optionale Parameter als Schlüssel-Wert-Paare zu akzeptieren.
- Verbesserte Handhabung von Threads für schnellere PSF-Faltungen.
- Speicherung des Fit-Zustands bei Abbruch durch Strg+C.
Detaillierte Informationen zu früheren Updates finden Sie im Changelog.
Binärdateien für Linux und Quellcode sind verfügbar. Eine Dokumentation im PDF-Format (imfit_howto.pdf) sowie ein Tutorial und Beispiele sind ebenfalls erhältlich. Der Quellcode ermöglicht die Kompilierung mit modernen C++-Compilern wie GCC oder LLVM/Clang.
Es gibt auch einen Python-Wrapper namens PyImfit, der über pip oder conda installiert werden kann. Der aktuelle Quellcode ist zudem auf GitHub verfügbar.
Publikationen und Community
Die Software Imfit wurde in The Astrophysical Journal beschrieben (Erwin 2015). Die Zitierung der Arbeit wird für Forschungszwecke empfohlen. Eine Anmeldung für einen informellen E-Mail-Verteiler für Updates ist über die angegebene E-Mail-Adresse möglich.
Beispiel: Modellierung der Zentrumsregionen der S0-Galaxie NGC 4762
Ein Beispiel für die Anwendung von Imfit ist die 2D-Dekonstruktion der inneren 3 x 3 kpc der galaktischen Scheibe der S0-Galaxie NGC 4762, basierend auf einem Hubble Space Telescope Bild.
SDSS gri Bild von NGC 4762 (Credit: Sloan Digital Sky Survey Collaboration)
Die hohe Auflösung des HST-Bildes offenbart einen kompakten, kanten-orientierten Ring im Zentrum, zusätzlich zu einer elliptischen Bulge und zwei separaten “Scheiben”-Komponenten. Neue Komponenten wurden entwickelt, um diese komplexen Strukturen zu modellieren. Die finale Anpassung wurde mit einer spezifischen Konfigurationsdatei und dem Befehl imfit n4762g_horiz_adu.fits[...] --config config_imfit_n4762.txt --mask n4762g_mask.fits[...] --psf acs_psf.fits durchgeführt.
Die vier Hauptkomponenten, die für die Modellierung verwendet wurden (konturiert in logarithmischer Skala), sind:
- Bulge: Elliptische Sérsic-Komponente.
- Stellarer Ring: Zweiseitige, kanten-orientierte Gauß-Ring-Komponente.
- Dünne Scheibe/Balken: Gebrochen-exponentielle kanten-orientierte Scheibenkomponente.
- Dicke Scheibe/Linse: Gebrochen-exponentielle kanten-orientierte Scheibenkomponente.
Diese Komponenten ergeben zusammen das finale, PSF-gefaltete Modellbild, das mit dem Originalbild verglichen wird.
Finales PSF-gefaltetes Modellbild im Vergleich zum Hubble Space Telescope ACS/WFC F475W Bild.
Diese detaillierte Modellierung verdeutlicht die Leistungsfähigkeit von Imfit bei der Analyse komplexer astrophysikalischer Bilder. Wenn Imfit für Ihre Forschung nützlich ist, zitieren Sie bitte die entsprechende Publikation (Erwin 2015).