Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Введение 6
1.1. Проблемы наблюдательной радиокосмологии 6
1.1.1. Определение космологических параметров 10
1.1.2. Большое Трио 27
1.1.3. Резюме 31
1.2. Анализ радиоастрономических данных 32
1.2.1. Системы анализа данных 33
1.2.2. Технологическая цепочка получения астрономического результата 41
1.3. Актуальность, цели работы и результаты, выносимые на защиту .45
Глава 2. Создание системы обработки данных FADPS и ее применение для анализа наблюдательных данных РАТАН-600 58
2.1. Введение 58
2.2. Общая идеология и принципы построения 60
2.3. Формат представления данных 65
2.4. Построение интерактивной графической системы обработки 69
2.5. Интерактивная обработка континуальных радиоспектров источников 72
2.6. Исследование объектов обзора 1995 г. на Северном секторе РАТАН-600 77
2.6.1. Отождествление радиоисточников 79
2.6.2. Спектры радиоисточников 81
2.6.3. Сложные источники 82
2.6.4. Обзор неба 1994 г.: заключение 96
2.7. Система анализа данных реликтового излучения 98
2.7.1. Вычисление присоединенных полиномов Лежандра 99
2.7.2. Структура пакета GLESP 1.0 101
2.7.3. Основные операции 103
2.7.4. Тестирование пакета и моделирование карт РИ 105
2.8. Выводы 108
Глава 3. Разработка базы данных астрофизических каталогов CATS и ее применение для построения и анализа выборок радиогалактик 112
3.1. Введение 112
3.2. Идеология построения 115
3.3. Функции CATS 120
3.3.1. Выборка по параметрам 123
3.3.2. Кросс-идентификация источников 123
3.4. Ввод и вывод: уровни доступа и форматы вывода 124
3.5. Анализ кросс-идентификаций внутри CATS 127
3.5.1. Отождествление декаметровых радиоисточников 127
3.5.2. Радиоизлучающие объекты инфракрасного диапазона 144
3.6. Выводы 161
Глава 4. Исследование радиогалактик и оценка космологических параметров 164
4.1. Введение 164
4.2. Система "Эволюция радиогалактик" 168
4.2.1. Процедура оценки возраста и красного смещения 171
4.3. Оценка возрастов и красных смещений известных радиогалактик 176
4.3.1. Данные и методика 176
4.3.2. Результаты анализа данных известных радиогалактик 179
4.4. Исследование радиогалактик обзора "Холод" 188
4.4.1. Многоцветная фотометрия RC объектов 190
4.4.2. Фотометрические красные смещения для радиогалактик RC каталога 193
4.4.3. Дискуссия и результаты 198
4.5. Оценка космологической постоянной (Л-член) 203
4.5.1. Выборка объектов 206
4.5.2. Процедура оценки параметров 209
4.5.3. Влияние ошибок на оценки параметров 212
4.5.4. Обсуждение результатов 213
4.6. Выводы 216
Глава 5. Исследование реликтового излучения 219
5.1. Введение 219
5.2. Прооблемы пикселизации карты неба 220
5.2.1. Базовые соотношения 224
5.2.2. Свойства пикселизации GLESP 226
5.3. Не-Гауссовость 231
5.4. Фазовый метод чистки и выделение реликтового излучения 239
5.5. Корреляции выделенных сигналов и компонент карт ILC, FCM и РСМ 245
5.6. Выводы 250
Глава 6. Заключение 252
6.1. Основные результаты работы 254
6.2. Достоверность полученных результатов 259
6.3. Научная и практическая ценность 260
6.4. Благодарности 261
Список литературы 263
Приложения 295
- Технологическая цепочка получения астрономического результата
- Интерактивная обработка континуальных радиоспектров источников
- Отождествление декаметровых радиоисточников
- Фотометрические красные смещения для радиогалактик RC каталога
Введение к работе
radio sources of RC catalog at the 6 m optical telescope. Bull. SAO, 40, 125-127.
Verkhodanov O.V. 1996. On one algorithm of fitting of the function, preas-signed by table, to tabular defined points. Bull. SAO, No 41, 149-151.
Verkhodanov O.V. 1997. Multiwaves continuum data reduction at RATAN-600. In "Astronomical Data Analysis Software and Systems VI", eds. G.Hunt fa H.E.Payne. ASP Conf. Ser., 125, 46-49.
Verkhodanov O.V., Trushkin S.A., Andernach H., Chernenkov V.N. 1997. The CATS database to operate with astrophysical catalogs. In "Astronomical Data Analysis Software and Systems VI", eds. G.Hunt & H.E.Payne. ASP Conf. Ser., 125, 322-325.
Andernach H., Trushkin S.A., Gubanov A.G., Verkhodanov O.V., Titov V.B., Micol A. 1997. Preparing a public database of radio sources. Baltic Astronomy, 6, 259-262.
Verkhodanov O.V., Trushkin S.A., Chernenkov V.N. 1997. CATS: a database system of astrophysical catalogues. Baltic Astronomy, 1997, 6, No 2, 275-278.
Trushkin S.A., Verkhodanov O.V. 1997. Cross-identification of the IRAS Point-Source and Texas catalogs of radio sources. Baltic Astronomy, 6, No 2, 345-346.
Флетчер А., Коннер С, Крофорд Ф., Картрайт Дж., Берк Б., ПариЙ-ский Ю.Н., Соболева Н.С., Копылов А.И., Темирова А.В., Верходанов О.В., Наугольная М.Н. 1996. Объекты RC-каталога. Отождествление с точностью выше 1" по Паломарским отпечаткам с использованием VLA карт из архива Массачусетс ко го технолог, института. Астрон. Ж. Т. 73, No 6, 835-843.
Парийский Ю.Н., Госс В.М., Копылов А.И., Соболева Н.С., Темирова А.В., Верходанов О.В., Желенкова О.П. 1998. Завершение оптического отож-
Технологическая цепочка получения астрономического результата
Основной целью проведения астрофизических экспериментов в любой обсерватории является получение максимально достоверной информации о разнообразных астрономических объектах. При этом астрономы используют различные методы и средства, зависящие от области и характера исследований. Всю совокупность таких методов и средств можно рассматривать как систему автоматизации астрофизических экспериментов (Verkhodanov et al., 1995). Эффективность функционирования такой системы является важнейшим фактором, влияющим на профессиональную деятельность астрономов. Говоря об автоматизации астрофизических экспериментов, отметим что эта проблема является сложной многоаспектной задачей. В первую очередь это связано с реализацией самого наблюдательного процесса, который состоит из отдельных этапов. Каждый этап имеет свои специфические особенности, что отражается в применении различных функционально ориентированных компонентов. С другой стороны, получение окончательных астрофизических результатов зависит от использования процедур дальнейшей обработки наблюдательных данных. Характер этих процедур определяется областью и методами исследования, интересами отдельных астрономов, конечными целями обработки, структурами экспериментальных данных и т.д.
Технологический процесс получения астрофизических результатов в САО (да и в других институтах) включает ряд взаимосвязанных этапов (Рис. 1.7): 1. Постановка астрофизической задачи. 2. Планирование использования телескопа. 3. Подготовка наблюдательного эксперимента. 4. Управление телескопом и приемниками излучения. 5. Регистрация и сбор наблюдательных данных. 6. Архивизация наблюдательных данных. 7. Обработка наблюдательных данных. 8. Транспортировка наблюдательных и служебных данных. 9. Публикация полученных результатов. 10. Астрофизическая интерпретация результатов. Перечисленные выше этапы используются для всех телескопов обсерватории — РАТАН-600, 6 м и 1м. Причем этапы 2-9 поддерживаются системой автоматизации астрофизических экспериментов, а этапы 4-5 непосредственно связаны с проведением наблюдений. Этап 8 — транспортировка наблюдательных данных — при необходимости может включаться между другими этапами, а также обеспечивать связь САО с другими научными центрами.
Раскрывая сущность системы автоматизации, необходимо отметить ее основопологающие компоненты. Это прежде всего программное обеспечение (software), включающее в себя как оригинальные разработки САО, так и разработки, поставляемые извне. Без программного обеспечения, дающего дружественный интерфейс с одной стороны и независимость (или наоборот — зависимость) от человеческого фактора с другой стороны, в настоящий момент не обходится ни одип серьезный физический эксперимент. Software опирается на компьютерную базу. Понятно, что чем большую интеллектуальную нагрузку хочется возложить на software, тем более мощная техническая основа (hardware) для этого требуется. В то же время от уровня hardware зависит возможность выбора той или иной базовой инструментальной среды программирования, в первую очередь операционной системы и ее окружения, что сразу же отражается на software обслуживания эксперимента. Хотя современные открытые системы, и наиболее универсальная из них — ОС UNIX, работают практически на любой аппаратной платформе.
Для обеспечения уровня автоматизации наблюдений без обязательного присутствия астрономов на телескопе, обмена данными с удаленными пользователями или подготовки очередных наблюдений необходима разработка и соответствующих сетевых ресурсов (Черненков, 1995). Другим важным компонентом системы автоматизации являются методы и алгоритмы обработки информации, дающие пользователю мощные математические средства для эффективного доступа к данным и быстрого получения точного астрофизического результата. От уровня используемых методов зависит уровень конечного результата.
Понятие метода (в широком смысле этого слова) может использоваться как характеристика любой другой компоненты — hardware, software и т.д. Здесь можно говорить, например, о методах проектирования отдельных приборов, методах построения компьютерных и программных систем, организации связи между различными подсистемами, вычислительных методах, методах доступа к данным и организации обработки.
Алгоритмы в первую очередь связаны с областью software и обычно отражают программную реализацию некоторого математического аппарата или логической схемы преобразования данных. Следует отметить, что именно астрономия (а конкретно, радиоастрономия), создала быстрые и мощные средства (например, алгоритм CLEAN (Hogbom, 1974)) восстановления изображений, ставшие стандартом при картографировании с помощью интерфе-рометричсских систем.
И, наконец, когда астроному необходимо, например, сохранить свои исходные или обработанные наблюдательные данные или передать их коллегам в другой институт, встает вопрос о форматах представления данных.
В данной работе решаются проблемы как в ал гор итмическо- методической части технологической цепочки, так и в астрофизической части. Работа разбита на главы, посвященные развитию алгоритмов, созданию гибкой системы обработки и обработке радиоастрономичесих наблюдательных данных; развитию алгоритмов анализа фонового излучения на всей сфере, выбору новой схемы пикселизации неба, моделированию реликтового излучения и анализу статистики анизотропии; созданию открытой базы данных астрофизических каталогов, исследованию списков радио источников и построению выборок объектов, кандидатов в далекие радиогалактики; созданию базы данных синтетических спектров галактик, исследованию возрастов радиогалактик и оценке космологических параметров.
Интерактивная обработка континуальных радиоспектров источников
В каждом меню кроме операций, объединенных именем пункта, присутствуют также операции управления, например, операции записи результата в оперативную память, на твердый диск, операции выхода из текущего меню.
Построение программы ориентировано исключительно на описанный модульный принцип организации системы обработки данных. В обязанности такой программы, кроме вызова соответствующих "кирпичей", входит сервисное обслуживание (система меню разного уровня и соответствующие подсказки) и визуализация результата. Имеется возможность запуска программы-модуля, заранее не описанного как пункт меню, для выполнения дополнительных операций над данными: при входе в пункт Filt (filter) программа запрашивает имя программы (можно с ключами) и передает управление ей, а полученный результат выводит на экран. Программа имеет специальное меню для работы с курсором и графического редактирования данных. Имеется возможность "ручного" клиппироваиия источников и помех, а также "ручного" удаления фоновых нелинейных компонент.
При создании процедур визуализации мы исходно использовали библиотеку CGI системы XENIX, но таким образом, чтобы в дальнейшем произвести безболезненный переход в стандартную графическую оболочку X Window системы UNIX. Причем реализация процедур произведена на самом низком уровне программирования X Window таким образом, чтобы не было зависимости от коммерческих библиотек (Верходанов, 1991а; Верходанов, 1993b; Верходанов и др., 1995с). Практика показала, что выбранная идеология оказалась действенной, и новая версия программы fgr заработала в сетевой графической среде X Window без существенных осложнений. В настоящий момент графическая система fgr (Верходанов, 1995а) реализована и поддерживается в ОС Linux, Sun OS, OS Solaris, Silicon Graphics Irix.
В рамках обозначенной идеологии были также предложены и реализованы библиотеки функций для создания бумажных копий изображений, а именно: система описания графопостроителей - PLOTCAP, позволяющая выводить данные на различные типы графопостроителей без изменения программ обработки, а лишь переименованием логических имен среды (Верходанов, Че-рспахин, 1993), а также библиотека функций для работы с языком PostScript (Верходанов, 1994а).
Первый пакет для работы с непрерывными радиоспектрами для работы на РАТАН-600 rtnsp был разработан под ОС XENIX и включал в себя систему автоматического анализа калибровочных источников, наблюдаемых на радиотелескопе (Верходанов, 1992, Верходанов, 1993а) и процедуры построения спектров по данным радиоастрономических наблюдений. Однако, с появлением большого числа разнообразных радиоастрофизических данных, особенно с развитием базы данных CATS (Verkhodanov et al., 1997a), появилась необходимость создания более глобальной и гибкой системы обработки континуальных спектров радиоисточников (и, вообще, различных спектральных распределений энергии в объектах). Новая система работы со спектрами была разработана в рамках проекта FADPS с возможностью подключения к системе вывода базы данных астрофизических каталогов CATS (Верходанов, 1997). В отличие от временных рядов, где наблюдатель имеет дело с равноотстоящими значениями и данные обрабатываются набором стандартных процедур (см. например, программу fgr), здесь мы имеем дело с неравноотстоящими измерениями, выводимыми в логарифмических шкалах.
Система обработки спектров состоит из нескольких программ, позволяющих работать с данными как в интерактивной графической моде, так и "вслепую", что, в свою очередь, позволяет переходить к потоковой обработке. Центральной утилитой системы является программа spg (SPectral Graphics), разработанная в среде X Window OS UNIX. Утилита spg позволяет в системе многоуровневого меню и последовательной визуализацией всех операций над спектрами выполнять следующие действия: строить графические картинки спектров (Рис. 2.4) на экране в среде X Window и на языке PostScript с использованием различных маркеров для заданных частот; взвешивать точки спектров различными методами; "чистить" спектры, удаляя точки, как на плоскости координат (прямое восхождение, склонение), так и на спектральной плоскости (частота, плотность потока); аппроксимировать спектры набором кривых, задаваемых аналитически (как вручную, так и по выбору минимума квадратов невязок), узлами на спектре, и путем проведения приближенной кривой с помощью движения курсора на экране; определять спектральные индексы и плотности потоков па заданной частоте, а также интегральные потоки; вычислять радиосветимости и мощности радиоисточников при задании соответствующих космологических параметров; редактировать и задавать табличные данные (частоты, плотности потоков, ошибки, веса, космологические параметры) в оконном интерфейсе; производить операции с файлами, содержащими данные спектров: удалять, создавать, выбирать и просматривать.
Отождествление декаметровых радиоисточников
Источник J 084141+465234, который имеет слегка протяженную структуру на частоте 1400 МГц, отождествляется с протяженным объектом и в оптике (на О-пластинкс) и может быть галактикой или QSO, т.е. является радиоядром. Если хвост шириной 2"5 с левой части J 084141+465234 (Рис. 2.11) — не ложная структура, появившаяся при обработке данных в AIPS, то источник может быть радиоизлучающим джетом, вылетающим из ядра.
Источник Л 084818+465153, имеющий протяженную, но не разрешенную на компоненты структуру, и крутой радиоспектр, совпадает со звездно подобным объектом с очень голубым показателем цвета О Е и, вероятно, является объектом QSO (или даже голубым звездообразным объектом, BSO). Учитывая, что у источника имеется протяженная структура (возможно 2 близких радио компонента), мы можем его отобрать как кандидат в гравитационно линзируемый объект (Fletcher, 1998).
Источники J 131217+465106 и J 135751+465130, тоже с протяженной структурой и имеющие крутые континуальные радиоспектры, не видны на пластинках Паломарского Атласа. Поэтому, мы их отбираем как кандидаты в далекие радиогалактики и объекты для дальнейших исследований.
Исследование небольшой площадки неба позволило выделить 12 интересных протяженных объектов для дальнейшего изучения. Среди них есть кандидат в гравитационную линзу (J110930.4+465032), взаимодействующие галактики, несколько тесных двойных радиоисточников, которые в ряде работ также рассматриваются как кандидаты в гравитационные линзы (Fletcher, 1998). На настоящий момент совмещение возможностей Internet, объединяющих усилия групп разработчиков баз данных CATS, FIRST, DSS, АРМ, дало мощный современный аппарат для получения астрофизической информации. Тем не менее, для дальнейшего исследования объектов необходимо получение карт с более высоким разрешением, чем дает обзор FIRST, проведение наблюдений на крупных оптических телескопах с целью глубокого фотометрировапия и получения спектров объектов.
Проанализированы VLA карты, для которых были проведены специальные наблюдения на VLA, имеющие разрешения для трех радиоисточников J082347+465150, 131217+465106 и J084818+465153 до 2 /5х2" и для двух источников J 131217+465106 и J 135751+465130 6/. 5х2/. 3. Все пять объектов являются протяженными и два из них J 082347+465150 и J131217+465106 разрешаются на компоненты. Все пять источников имеют линейные крутые спектры (а —0.65), и один из них (J084818+465153) имеет ультракрутой спектр. Надежные оптические кандидаты на отождествление найдены на Паломарском Атласе для 3-х источников. Отождествленный радиоисточник J 082347+465150 является сливающейся группой 8 галактик с гигантской центральной (как показывают наблюдения на 6 м телескопе) и мог возникнуть как раз в процессе мерджинга. Радиоисточник J 084818+465153 вероятно является объектом типа BSO и может быть кандидатом в гравитационно лии-зированный объект. Два радиоисточника J 131217+465106 и J135751+465130, которые не имеют оптических отождествлений до 215 (a J 135751+465130 до 24т), могут быть далекими радиогалактиками (z 0.5).
Таким образом, было проведено исследование объектов, наблюдаемых в Специальной астрофизической обсерватории на РАТАН-600 и 6м телескопе БТА, в трех системах FADPS (fgr, spg) и базы данных CATS, и продемонстрированы возможности построенных систем. Гибкий формат описания данных и модульный подход в реализации процедур, позволили организовать взаимодействие процедур для астрофизического анализа данных.
Система анализа данных реликтового излучения Идеология FADPS и разработанные процедуры позволяют реализовать дополнительные возможности в астрофизических и космологических исследованиях. Анализ данных радиоастрономических обзоров наряду с исследованием дискретных источников включает и обработку фоновых компонент, к которым относится и реликтовое излучение. Естественным образом развитие FADPS привело к созданию процедур анализа излучения, распределенного на небесной сфере. Процедуры основаны на разработанной автором библиотеке разбиения сферы на пикселы. Описанный в пятой главе алгоритм пик-селизации неба GLESP был использован для построения пакета программ анализа реликтового излучения (Doroshkevich et al., 2003, 2005; Верходаиов и др., 2003а, 2004, 2005b).
Рассмотрим этот пример отдельно. Анализ флуктуации микроволнового фонового излучения основан на исследовании коэффициентов atm при сферических функциях в гармоническом разложении карты всего неба (Глава 5), где сферические гармоники выражаются через присоединенные полиномы Лежаидра. Фактически, построение пакета при наличии библиотек начинается с разработки алгоритмической части. Для вычисления спектра мощности реликтового излучения необходимы как процедуры вычисления присоединенных полиномов Лежандра, так и быстрого преобразования Фурье.
Фотометрические красные смещения для радиогалактик RC каталога
Список источников УТР каталога с уточненными координатами авторы использовали для кросс-идентификации внутри радиуса 10" с оптическими и смешанными каталогами AGN, MCG, PGC (Paturcl et al., 1989), каталогом Диксона (Dixon & Sonneborn, 1980) и другими каталогами базы данных CATS. В результате были найдены отождествления для 575 различных УТР источников, которые можно найти в КАТАЛОГе.2 (см. 3-ий час в Приложении 8, полный список в работе (Verkhodanov et al., 2000d)). Заметим, что полученный список основан только на информации, содержащийся в CATS. Результирующий список представляет 32% всего УТР каталога против 19% опубликованных в оригинальных работах.
Заметим, что для малого числа объектов, особенно очень протяженных источников возле Галактической плоскости подобно остаткам сверхновых или НИ областей, в каталогах дискретных объектов существуют естественные ограничения и полученные координатные оценки могут быть не верными. Примером такого объекта является GR1901+05, который соответствует очень протяженному остатку сверхновой ЗС396. Для таких объектов необходимо расширить радиус окна оптического отождествления и исследовать радиоизлучения на больших масштабах, например, с использованием карт, полученных на одиночных зеркалах, чтобы получить правильное оптическое отождествление.
Отметим, что практически все объекты, отождествленные с оптическими каталогами, попадают в список AGN (Veron-Cetty, Veron, 2001). Несколько источников отождествилось с объектами каталога ярких галактик PGC (Paturel ct al., 1989). Для поиска возможных существующих отождествлений объектов авторы также использовали систему АРМ (Irwin, 1998).
Была проведена кросс-идентификация с объектами каталогов рентгеновского спутника ROSAT и инфракрасного спутника IRAS. В рентгеновском диапазоне искалось наличие излучения в окне радиусом 90" среди каталогов 1WGA (White et al., 1994), EIN2S (Moran et al, 1996), EMSS (Gioia et al., 1990; Stocke et al, 1991), RGN (Neumann et al, 1994), ROSAT (Voges et al., 1994). Рентгеновское излучение обнаружено у 146 кандидатов, в большинстве отождествляемых с активными галактическими ядрами. Списки источников, имеющих рентгеновское излучение, приведены в таблице Приложения 7 (см. также работу (Verkhodanov et al., 2000d)).
В инфракрасном диапазоне отождествления искались среди каталогов НН_Н (Hughes, Macleod, 1989), НИ I (Codella et al, 1994), IFSC (Moshir, 1989), IPSC (IRAS group, 1987), IRSSS (Helou, Walker, 1985), ISSC (Klcin-mann et al., 1986). С учетом приводимых ошибок координат ИК источников, которые значительно больше, чем Ошибки в оптике, мы выбрали радиус окна отождествления 60" для радио-ИК корреляции. Найдено 39 кандидатов на отождествление для УТР объектов. Некоторые из этих источников связаны с НИ областями, некоторые - с активными ядрами.
Мы имеем 3 сравнительно уверенных отождествления УТР источников с НИ областями: GR0238+58, GR0704-12 и GR1901+05. Присутствие дека-метровых источников в НИ областях, в которых обычно имеется "завал" на низких частотах из-за эффектов распространения волн в межгалактической плазме (а именно, из-за теплового поглощения в межзвездной среде), может быть обусловлено проявлением контраста на границе самих областей на фоне нетеплового излучения Галактики. Это было обнаружено, например, Касуе-лом в 1976 г. (Caswell, 1976) как понижение уровня (появление провалов в распределении фона) низкочастотного излучения на частоте 10 МГц в обзоре Северного неба на Пенти кто иском телескопе. Тем не менее, как было показано Тэйлором и др. (Taylor et al, 1996), на частоте 327 МГц существует маленький процент источников, ассоциируемых с НИ областями, у которых спектральный индекс отрицательный, а для нескольких даже а —1. Хотя Тэйлор и др. не обсуждают причину такого крутого спектра, тем не менее возможно и наложение объектов разной природы. В нашем случае по форме радиоспектра мы уверенно можем сказать, что декаметровый "источник" обнаруживается в области НИ на контрасте с галактическим фоном только для GR1901+05. Для двух других НИ областей этого с уверенностью сказать нельзя. Списки инфракрасных отождествлений приведены в Приложении 9.
Класс радиоисточников с крутыми спектрами активно исследуется несколькими группами (Parijskij et al., 1996а; Rottgering et al., 1997; McCarthy et al., 1997) в основном потому, что среди них большой процент объектов отождествляется с далекими радиогалактиками, которые позволяют исследовать раннюю Вселенную и могут являться индикаторами протоскоплений (Djor-govski, 1987). Важной особенностью исследуемого каталога является наличие декаметрових точек в спектре источников, что является хорошим дополнением списков источников с крутыми спектрами (De Breuck et al., 2000).
Как видно из распределения спектральных индексов (Рис. 3.4), довольно большая часть объектов имеет крутой спектр на всех трех частотах. Чтобы отобрать список источников — кандидатов в далекие объекты, мы сделали селекцию (Andernach et al., 1999) по спектральным индексам с показателем a —1.2, условием линейного спектра (тип S) и наличием протяженной структуры в FIRST каталоге.
