Методы и результаты наблюдательной радиокосмологии

gzipped PostScript версия здесь, 2005 г.

Начало

Введение

Глава 2

Глава 3

Глава 4

Глава 5

Глава 6

Библиография

Приложения

Оглавление

• Решенные задачи (252)
  
• 6.1. Основные результаты работы (254)
  
• 6.2. Достоверность полученных результатов (259)
  
• 6.3. Научная и практическая ценность (260)
  
• 6.4. Благодарности (261)
  

• решена проблема оптимального с точки зрения точности и количества операций разбиения неба на пикселы для анализа радиоастрономического сигнала на всей сфере;
• проведен фазовый анализ данных реликтового излучения со спутника WMAP и на основе фаз сферических гармоник в предположении гипотезы о случайном распределении фаз показана негауссовость данных WMAP, разработан и реализован фазовый метод выделения сигнала реликтового излучения, показано наличие корреляций фаз сигналов РИ и фоновых компонент;
• проведено исследование фотометрических данных радиогалактик, полученных на 6-м телескопе САО РАН и на других оптических телескопах, получены оценки возрастов и z радиогалактик и космологических параметров;
• разработаны методы каталогизации и кросс-отождествления больших списков астрофизических объектов в реальном времени и построения выборок источников с крутыми радиоспектрами;
• решен ряд проблем при исследовании радиогалактик, связанных с анализом первичных наблюдательных данных в радиодиапазоне на РАТАН-600, включая принципы создания и разработку алгоритмического и программного обеспечения, в том числе интерактивные системы визуализации.

При решении данных задач выработаны правила построения систем обработки радиоастрономических данных, включая анализ карт реликтового излучения, а также построения астрофизических баз данных. С применением построенных систем проведены исследования различных выборок радиоисточников.

В представленной работе реализована цепочка, связывающая начальную и конечную стадии астрофизических исследований, включая постановку задачи, наблюдений, разработку алгоритмов и программного обеспечения и, как итог, получение астрофизического результата. Каждый шаг цепочки сопровождался созданием открытого общепользовательского программного вычислительного обеспечения (свыше 300000 строк на языке ``C'' по теме данной работы и свыше 70000 строк описаний), которое к настоящему времени уже использовали сотни человек из отечественных и зарубежных научных учреждений. В результате выполнения работы были построены открытые системы, соответствующие этапам астрофизических исследований:

• радиоастрономические наблюдения - создание и реализация алгоритмов поиска источников и чистки данных, а также пакет FADPS общей системы обработки, реализация алгоритмов вычисления сферических функций и пакет GLESP обработки данных реликтового излучения;
• анализ радиоастрономических данных, исследование статистики радиоспектров - база данных CATS и система анализа континуальных спектров радиоисточников;
• оптические отождествления и фотометрия на 6м телескопе, исследование возрастов радиогалактик - база данных CATS, алгоритмы моделирования процесса фотометрических наблюдений и создание вычислительной системы ``Эволюция радиогалактик''.

В рамках данной работы в реализованных системах проведены исследования свойств наблюдательных данных реликтового излучения спутника WMAP (фазовый анализ и обнаружение негауссовости), радиогалактик по программе ``Большое Трио'' (оценка возрастов звездных систем и фотометрических красных смещений, оценка постоянной Хаббла и Λ-члена), а также отождествление и исследование радиоисточников обзора на Северном секторе РАТАН-600 1995г. и объектов кросс-идентификаций внутри CATS (внегалактические источники радио и ИК излучения и декаметровые источники).

6.1. Основные результаты работы

1. Обнаружена негауссовость в данных наблюдений реликтового излучения.
   Проверена Гауссовость карт реликтового излучения на полной сфере, построенных по данным спутника WMAP. На основании гипотезы о случайных фазах определена значимая негауссовость сигнала. С помощью фазового метода сигнал был разделен по различным диапазонам мультиполей и исследована их статистика.
2. Развиты и применены методы фазового анализа, с использованием которых микроволновое излучение неба разделено на два компонента: реликтовое и мешающее фоновое излучение неба.
   Предложена новая методика исследования статистических свойств сигнала для полос K-W эксперимента WMAP. Используя корреляционные свойства фаз гармоник в различных каналах и факт, что реликтовое излучение во всех каналах одинаковое, можно выделить этот сигнал, используя минимизацию невязок фаз. Предлагаемый метод не требует предварительного удаления областей излучения Галактики. Показано наличие значимых корреляций между фазами выделенного сигнала и фоновых компонент, особенно для канала W. Такие корреляции могут быть индикатором возможной негауссовости, обусловленной методикой разделения компонент.
3. Разработаны новые методы пикселизации карт неба и применены при вычислении разложения сигнала по сферическим гармоникам.
   Предложен новый подход в пикселизации карт неба, ориентированный прежде всего на точность вычисления сферических гармоник при интегрировании по полярному углу θ с использованием квадратуры Гаусса. Для этого используются нули полиномов Лежандра в качестве центров пикселов в направлении полярного угла. На основании предложенной сетки вводится новая пикселизация неба - GLESP. Для данной пикселизации неба разработано новое программное обеспечение в рамках системы обработки данных FADPS с относительной точностью генерирования карты и разложения по сферическим функциям до 10-8.
4. Получены новые оценки космологических параметров из анализа возрастов радиогалактик FRII.
   Для объединенных данных из разных популяций эллиптических галактик, в том числе и для радиогалактик RC-каталога, проведен анализ верхней границы возраста формирования звездных систем. По этим данным оценены границы определения космологических параметров H₀ и Λ-члена, как H₀=71.5±10, Ω_Λ=0.8±0.1 в модели GISSEL и H₀=53.0±10, Ω_Λ=0.8±0.1 в модели PEGASE.

   Кроме того, при исследовании радиогалактик показано, что фотометрические красные смещения для мощных радиогалактик дают удовлетворительное согласие со спектральными (ошибка 10-20%, с небольшим процентом крупных ошибок); ограниченный набор близко расположенных фильтров, как в нашем BVRI случае, также может дать удовлетворительные результаты даже для больших красных смещений; цветовые данные, как правило, не противоречат звездным величинам в фильтре R, если R<22^m.5. Показано, что практически всегда можно указать нижнюю границу возраста галактик и, следовательно, минимальное красное смещение их формирования.

5. С использованием разработанных системы FADPS и базы данных CATS, по результатам анализа трех обзоров неба (обзора 1995г. на РАТАН-600 в см-диапазоне, декаметрового обзора на УТР и обзора IRAS в ИК-диапазоне) отождествлены свыше 2000 декаметровых источников и построены новые каталоги радиогалактик, включающие новую выборку объектов с крутыми радиоспектрами.
   
   • В построенных системах анализа астрофизических данных исследована полоска области обзора 1995г. на Северном секторе РАТАН-600. Объекты исследовались в наблюдательных программах САО и базе данных CATS. Проведены отождествления с цифровым обзором неба DSS2 (http://stdatu.stsci.edu/dss/) и классификация по морфологии и радиоспектрам. Исследование объектов продемонстрировало успешность и простоту выбранного подхода анализа данных.
   • С помощью внутренней кросс-идентификации каталогов различных диапазонов длин волн (а именно, инфракрасных IRAS каталогов и Техасского низкочастотного радиокаталога) были получены списки объектов для дополнительных исследований в радио и оптическом диапазонах. Для отобранных объектов на РАТАН-600 были проведены наблюдения для уточнения континуальных радиоспектров, и для некоторых объектов были сняты оптические спектры на спектрографе 2.1м телескопа обсерватории им. Гуиллермо Харо в Кананеа. Среди объектов, являющихся кандидатами на отождествление, были обнаружены QSO, взаимодействующие галактики, инфракрасная галактика, 2 галактики с эмиссионными линиями, кандидат в объект типа BL Lac. Результаты отождествлений показали, что примерно треть объектов из предложенной подвыборки являются взаимодействующими галактиками.
   • В рамках проекта CATS были проведены исследования по отождествлению декаметровых (12-25 МГц) УТР радиоисточников, имеющих большие (до 40') боксы ошибок. Кроме точных координат для 1800 объектов, были получены списки источников с ультракрутыми радиоспектрами, представляющими независимый интерес при исследовании далеких радиогалактик. Для ряда объектов были найдены оптические, инфракрасные и рентгеновские отождествления. Обнаружено, что медианная величина размера источника для объектов с крутыми спектрами (α<-0.9) уменьшается с уменьшением спектрального индекса α, но остается в пределах 10÷30''.
6. Разработаны система обработки FADPS континуальных радиоастрономических данных и программное обеспечение для анализа фоновых излучений на небесной сфере GLESP.
   • Выработаны принципы построения гибкой системы обработки векторов данных, позволяющие свободно включать новые алгоритмы в модули системы обработки. Система реализована таким образом, чтобы пользователь мог настраивать ее и создавать в ней собственные пакеты, выполняя процедуры в рамках операционной системы. FADPS позволяет погружать модули системы в графическую среду, предоставляя пользователю интерактивный интерфейс. Этот подход реализован в графических интерактивных оболочках: fgr - для работы с одномерными векторами наблюдательных данных и spg - для работы с континуальными спектрами радиоисточников. FADPS взаимодействует с базой данных астрофизических каталогов CATS.
   • Для пикселизации неба GLESP разработано новое программное обеспечение в рамках системы обработки данных FADPS. Утилиты пакета позволяют моделировать карту по заданному спектру мощности или коэффициентам , вычислять -коэффициенты для данной карты, генерировать для заданного спектра мощности , сравнивать наборы -коэффициентов, моделировать стандартные аналитические шаблоны карт для квадруполей и октуполей, вырезать и выводить одномерные и двумерные области карты, поворачивать карту на сфере и выполнять другие операции.
7. Разработаны новые методы и принципы построения астрофизических баз данных, реализованные в крупнейших в мире базах данных радиоастрономических каталогов CATS и спектров SEDs в диапазоне от УФ до ИК.
   
   • Разработана простая и легко воспроизводимая идеология построения баз данных, в рамках которой реализован проект базы данных астрофизических каталогов CATS. CATS имеет простую организацию, основанную на иерархической структуре хранения и описания данных и программ-функций, и не требует коммерческих продуктов СУБД. Она позволяет выполнять процедуры выборки и отождествления источников среди разнообразных списков объектов. Имеются широкие возможности доступа, причем наиболее часто используемые поддерживаются протоколами FTP, SMTP и HTTP. Решены проблемы каталогизации и кросс-отождествления больших списков астрофизических объектов. Для астрофизических исследований БД предоставляет не только точные положения радиоисточников и характеристики континуальных радиоспектров, но также возможность исследовать статистические свойства объектов.
   • Создана система ``Эволюция радиогалактик'' (база данных SEDs), организованная с использованием разработанных принципов хранения астрофизических данных, которая позволяет оценивать красные смещения и возрасты галактик по наблюдательным фотометрическим данным путем оптимального выбора в базе данных эволюционных моделей спектров и типов галактик с помощью построения трехмерной функции правдоподобия. При работе система моделирует наблюдательные характеристики с учетом формы и ширины кривой пропускания фильтров, что позволяет более точно оценивать потоки и K-поправки.

6.2. Достоверность

1. в области создания алгоритмов и системы обработки FADPS - многолетней (свыше 15 лет) эксплуатацией системы и воспроизводством результатов при повторной обработке данных;
2. при создании базы данных CATS - полнотой выбираемых источников при автоматическом поиске; эффективность идеологии построения - скоростью работы и простотой включения новых каталогов с сохранением авторского формата;
3. при создании системы ``Эволюция радиогалактик'' (базы данных SEDs) - надежностью вычислительных процедур, протестированных для списка известных радиогалактик;
4. при определении фотометрических красных смещений - методами спектроскопии;
5. при введении новой пикселизации неба - воспроизводством моделированных карт и соответствующих разложений по сферическим гармоникам во всех возможных тестах с относительной точностью до 10^-8;
6. открытие негауссовости данных реликтового излучения - другими группами, использующими другие методы;
7. основные результаты работы опубликованы в реферируемых журналах и прошли апробацию на российских и международных конференциях по теме данной работы.

6.3. Научная и практическая ценность