Введение к работе
С 1972 г. в САО РАН проводится эксперимент МАНИЯ - Многоканальный Анализ Наносекундиых Изменений Яркости. С 1978 года наблюдения по его программе проводятся на б-метровом телескопе. Астрофизической целью эксперимента является обнаружение и исследование областей пространства с экстремальными плотностями энергии. Важной чертой физических процессов, протекающих в таких областях, должна быть переменность энерговыделения в широком диапазоне характерных времен от 10 до 100 с. Сверхбыстрая переменность оптического излучения может быть связана с аккрецией на черные дыры и нейтронные звезды, с когерентными процессами в магнитосферах пульсаров и атмосферах звезд [1,2,3]. Разумеется, чем компактнее исследуемые области пространства, чем выше степень нераэновесности изучаемых процессов, тем короче временная шкала проявляющейся нестационарности, и тем выше должно быть временное разрешение приборов и методов для ее регистрации и исследования.
Идейная база эксперимента была заложена в работах В.*.Шварцмана [4,5]. Его наблюдательная основа - электрофотометрический поиск и исследование вариаций блеска астрономических объектов на временах 10~ - 100 с. На 6-метровом телескопе интенсивности потоков регистрируемых фотонов от объектов упомянутых классов, как правило, не велики - 1000 - 10000
фотоотсч./с. По этой причине поиск переменности на временах
-6 -4 10 :-10 с помощью классических методов, основанных на
получении в процессе наблюдений кривых блеска, затруднен и потребовалось развитие методов анализа статистических свойств последовательностей моментов времени регистрации отдельных квантов. Под руководством В.Ф.Шварцмана был создан аппаратурно-программный* комплекс эксперимента, разработаны специальные методы статистической обработки наблюдательных данных [5,6].
В рамках эксперимента исследовано около 100 объектов различных типов - пульсаров, вспыхивающих звезд, рентгеновских источников; проведены поиски внеземных цивилизаций у солнцеподобных звезд [7,8,9,10,11]. В последние годы развитие многоканальных методов наблюдений высокого временного разрешения - поляризационных, спектральных, панорамных, потребовало разработки нового варианта преобразователя "время-код", обладающего более .высокими точностными характеристиками, имеющего более гибкую конфигурацию
и обеспечивающего возможность работы с большим количеством (вплоть до 10 - 10 } информационных каналов.
С другой стороны, использование компьютеров новых типов, современных языков программирования, позволило создать более развитый программно-алгоритмический комплекс эксперимента МЛНИЯ [12,13,14,15,16,17]. Обширный круг исследований, составляющих содержание эксперимента - теоретических, наблюдательных, аппаратурных, программно-алгоритмических, представляет несомненную важность как для поиска и исследования астрофизических объектов, так и для понимания природы процессов трансформации энергии в экстремальных условиях.
Цель работы Из всего спектра проблем, связанных с экспериментом МЛНИЯ, целью настоящей работы является решение следующих задач:
-
Разработка нового типа преобразователя "время-код"; измеряющего с точностью +-20 не моменты прихода фотонов, зарегистрированных любым детектором - ФЭУ, диоконом, панорамным счетчиком, а также фиксирующего дополнительные признаки, связанные с этими фотонами, - длину волны, состояние поляризатора, пространственные координаты.
-
Разработка и совершенствование методов анализа наблюдательной информации и создание на этой основе пакетов программ для:
тестирования аппаратурного комплекса;
сбора наблюдательных данных;
поиска переменности любого типа на временах от 10 с до 300 с у астрофизических объектов различных классов.
-
Поиск оптического излучения у миллисекундного радиопульсара PSR1937+21.
-
Исследование тонкой временной структуры кривой блеска пульсара в Крабе с предельным временным разрешением.
Новизна работы. Разработаны и активно используются в наблюдениях два варианта преобразователей "время-код" нового типа,
позволяющие регистрировать потоки событий со сверхвысоким временным разрешением ( 20 не ), обладающие оптимальными эксплуатационными характеристиками, обеспечивающие возможности эффективной обработки наблюдательной информации.
Усовершенствована и оптимизирована методика поиска стохастической переменности пуассоновских потоков на временах, много меньших среднего интервала между регистрируемыми квантами. Эта методика основана ка аппарате у2-функций, позволяющем определять основные параметры переменности: амплитуду вспышек, их скважность, относительную мощность переменной компоненты излучения.
Разработаны алгоритмы численного моделирования распределения по длительности интервалов между событиями в пуассоновском потоке с переменной интенсивностью A.(t).
Впервые осуществлен поиск стохастических вариаций блеска на
фоне периодической переменности у пульсара в Крабе в диапазоне
-6 -4 времен 10 -:- 10 с.
Разработаны алгоритмы и создан комплекс программ для поиска и исследования периодических сигналов в широком диапазоне значений периодов. Получены ограничения для оптического блеска мил-лисекундного радиопульсара PSR 1937+214.
Создана программа для точного определения периода и его эволюции в процессе получения наблюдательных данных. Исследована сфазированная кривая блеска пульсара в Крабе с наилучшим в мире временным разрешением 3.3 мкс.
Практическое значение. Преобразователи "время-код" нового типа, разработанные А.В.Журавковым по функциональным схемам, предложенным автором, позволяют выполнять наблюдения с высоким временным разрешением, используя широкий круг светоприемной аппаратуры, от одноканального ФЭУ до многоканальных координатно-чувствительных детекторов.
Созданный комплекс алгоритмов и программ позволяет проводить
поиск и исследование переменных сигналов, как стохастических,
-7 3 так и периодических, в диапазоне времен от 10 До 10 с.
Ограничения на параметры тонкой временной структуры кривой блеска пульсара в Крабе позволяют сузить круг возможных механизмов генерации оптического излучения.
Аппаратурно-программный комплекс эксперимента МАНИЯ может быть использован для исследования быстропротекающих процессов в биологии, химии, физике элементарных частиц.
Автор выносит на защиту
-
Функциональные схемы преобразователей "время-код" нового поколения "Квантохрон 3-8" и "Квантохрон 3-16".
-
Быстрые алгоритмы вычисления выборочных у2- и <12-функций, методику их статистического анализа и получения параметров переменной компоненты излучения. Ограничения на переменность 12 объектов разных классов: молодых пульсаров в галактиках NGC 4647 и NGC 4321, катаклизмичоской переменной SS Суд, оптического компаньона "у-источника GEMINGA, 8 солн-цеподобных звезд.
-
Методику поиска стохастических флуктуации излучения на фоне периодической переменности с помощью сравнения выборочных и модельных у2- и <12-функций. Ограничения на мощность стохастических вспышек с характерными временами от 10 до 10 су пульсара в Крабовидной туманности.
-
Методику поиска периодических сигналов с изменяющимися периодами - алгоритм "веерного" поиска периода, ограничения на оптическую светимость миллисекундного радиопульсара PSR 1937+214.
-
Методику точного определения периода и его первых производных по коротким сетам наблюдений. Результаты исследований оптической кривой блеска пульсара в Крабовидной туманности с временным разрешением 3.3 икс.
Апробация работы Результаты диссертации докладывались на 5-й Советской гравитационной конференции. Москва, МГУ, 1980 г., Международном симпозиуме "Инструменты для астрономии с большими оптическими телескопами", ст. Зеленчукская, 1981 г.. Международном симпозиуме "Вспыхивающие звезды и родственные им объекты", Бюракан, 1984 г., Всесоюзном совещании по релятивистской астрофизике (Киев, 1985) всесоюзном семинаре "Физика нейтронных звезд.
пульсары и барстеры", Ленинград, 1988 г., а также на семинарах САО РАН, КрАО АН СССР, ГАО АН УССР, ИАФА АН ЭССР, АО КГУ И Обсерватории CASLEO (Аргентина).
С помощью описываемых в диссертации методик получены результаты, защищенные в двух кандитатских диссертация.' [18, 19].
256-канальный экземпляр преобразователя "время-код" "Кван-тохрон 3-8" установлен на 2-х метровом телескопе Обсерватории CASLEO (Аргентина) и передан в эксплуатацию вместе с программным обеспечением сотрудникам Обсерватории. Комплекс уже использовался в наблюдениях ряда релятивистских объектов южного полушария.
Преобразователь "Квантохрон 3-8" зарегистрирован как изобретение в соавторстве с А.В.Журавковым.
Личный вклад автора был определяющим
в разработке функциональных схем преобразователей "время-код" "Квантохрон 3-е" и "Квантохрон 3-16";
- в создании алгоритмов поиска переменности излучения астро-
физических объектов в диапазоне времен от 10 до 1000 с на основе получения выборочных у2- и сі2-функций, в создании метода поиска тонкой структуры переменности на фоне плавных вариаций блеска с помощью сравнения выборочных и модельных у2- и с!2-функций;
в разработке метода "веерного" поиска периодов, создании методики точного определения периода и его первых производных для получения кривых блеска периодических объектов со сверхвысоким временным разрешением.
В наладке и исследовании аппаратурного комплекса автор принимал равноправное участие с А.А.Лимоновым и А.В.Журавковым.
При исследовании различных типов объектов в рамках эксперимента МАНИЯ автор наравне с другими соавторами принимал активное участие в получении наблюдательных данных, их обработке и интерпретации.