Исследование некоторых фоновых составляющих радиоизлучения Вселенной в наземных наблюдениях реликтового фона

Общая характеристика работы.

Актуальность темы

♦

Основная энергия фонового излучения Вселенной связана с реликтовым фоном. Этот фон был обнаружен наземными средствами в 60-х годах прошлого века. Он оказался изотропным и все попытки измерить его анизотропию долгие годы были безуспешными. Появились эволюционные модели Вселенной, допускающие малую пространственную анизотропию температуры dT/T на уровне 10″ 5.

Первые теории формирования наблюдаемой Вселенной предсказывали различный характер реликтового фона. Однако уже первые исследования в Пулково [Парийский Ю.Н. и др., 1970], на РАТАН-600 [Парийский Ю.Н. и др., 1977] и в США [Parijski Yu.N., 1973] с помощью наиболее чувствительных радиометров того времени показали противоречие с простыми теориями [Парийский Ю.Н. и др., 1986].

Исключительное значение приобретает проблема учета других фоновых радиоизлучений, мешающих исследованию реликтового излучения. Для экспериментов типа Planck это, прежде всего, Галактика и шум фоновых радиоисточников, практически не исследованных в коротком сантиметровом и миллиметровом диапазоне длин волн. Мешающим фоновым излучением также является предсказанный недавно шум заряженных макромолекул в диапазоне 1−3 см. Основные надежды — использование существенного различия зависимости яркости мешающих фоновых компонентов от частоты. В первом приближении считается, что спектр мощности синхротронного излучения Галактики оценивается формулой: Q ~ Г3 v" 6 и Q ~ Г3 v" 4 для свободно-свободного излучения, где С/ — компонента спектра при разложении шумов неба по полиномам Лежандра, 1 = 2тс/9 — номер мультиполя в разложении Тв неба по сферическим гармоникам, 0 — угловой размер пространственных неоднородностей, v — частота излучения.

Эти фоновые составляющие достаточно хорошо регистрируются в дециметровом диапазоне на обычных радиотелескопах, у которых разрешение недостаточно для исследований анизотропии реликтового фона. Поэтому необходима далекая экстраполяция их свойств, как по частоте (от дециметровых к миллиметровым длинам волн), так и по угловым масштабам (от одного градуса до нескольких минут дуги).

Дальнейшее продвижение ожидается с расширением фронта исследований из космоса. Проекты ближайших лет должны качественно изменить точность экспериментов по анизотропии реликтового фона, которые будут проведены в оптимальных для выделения основных мод угловых масштабах, предсказанных теорией 90-х годов (0.2 град. — 2 град.).

Проблема анизотропии реликтового излучения стимулирует также активность наземных экспериментов. На Земле доминирует шум атмосферы, и стало ясно, что простые наземные эксперименты не могут устранить этот шум.

РАТАН-600 оказался подходящим инструментом для более глубоких исследований с достаточным для реликтового фона чувствительностью и разрешением. Глубокий обзор, проводящийся сейчас на РАТАН-600, важен и для уточнения роли фоновых дискретных радиоисточников в экспериментах по анизотропии реликтового фона, и для выявления популяции источников с «инверсионными» спектрами.

Актуальность исследования составляющих радиоизлучения Вселенной и оценивания ограничений на точность экспериментов по исследованию реликтового фона определяется как космическими, так и наземными наблюдениями. Результаты данной диссертации получены в рамках проекта «Генетический код Вселенной» — основной программы, проводящейся на РАТАН-600.

Цели и задачи исследования:

1. Оценка атмосферного шума, как основного источника помех в изучении реликтового излучения наземными средствами.

2. Оценка вклада дипольного излучения макромолекул («spinning dust») в сантиметровом диапазоне волн. Оценка поляризации пылевого облака в области созвездия Персея.

3. Исследование синхротронного излучения Галактики и его вклада в изучение реликтового фона. Обработка данных на дециметровых волнах, где доминирует синхротронное излучение на масштабах, существенных для космологии.

4. Исследование радиоспектров объектов нового RZF-каталога (Ratan Zenith Field), полученного на РАТАН-600 и анализ популяций слабых радиоисточников. Выделение объектов с инверсионными спектрами, наиболее мешающими при изучении реликтового фона.

5. Отождествление радиоисточников RZF-каталога. Оценка изменений распределения по спектральным индексам при переходе к предельно слабым радиоисточникам и уточнение их роли в экспериментах по анизотропии реликтового фона.

Основные положения, выносимые па защиту:

1. Результаты исследования атмосферного излучения и методов чистки данных наблюдений от атмосферного шума. Рекомендации для эффективного использования накопленных данных в околозенитном обзоре на РАТАН-600 при изучении фоновых излучений Вселенной.

2. Результаты наблюдений, обработки и анализа радиоизлучения мощного пылевого облака в области созвездия Персея и оценка его степени поляризации. Оценка вклада дипольного излучения макромолекул в Галактике, как мешающего фона при изучении характеристик реликтового излучения.

3. Оценка вклада синхротронного излучения Галактики в фоновое излучение Вселенной по результатам обработки 400 суточных сканов наблюдений на 4 длинах волн (7.6, 13,31 и 49см).

4. Результаты анализа радиоисточников RZF-каталога. Оценки спектрального распределения для исследуемой выборки популяций слабых объектов. Оценка роли источников с инверсионными спектрами в будущих экспериментах по анизотропии реликтового фона. Основные результаты диссертации:

1. На основании анализа многолетних, многочастотных данных, полученных на РАТАН-600, показано, что большие наземные радиотелескопы могут успешно применяться для ' комплексных исследований реликтового фона и давать наиболее полную информацию о важных частотно-зависящих фоновых излучениях с высокой чувствительностью на масштабах Сахаровских осцилляций.

2. По результатам обработки 1700 часовых сканов наблюдений в околозенитной области, получено, что среднее положение излома спектра мощности по шкале частот равен 0,1 Гц на волне 1.38 см, а на волнах длиннее и короче 1.38см излом смещен в сторону более низких частот ~ 0.03 Гц, что ограничивает исследования анизотропии реликтового фона на 1<1000 без мер борьбы с атмосферным шумом. Наиболее эффективной оказалась «двумерная селекция» данных на плоскости «время-угловой масштаб» с помощью вейвлет-анализа. Такая фильтрация шумов атмосферы позволяет проводить исследования анизотропии реликтового фона в сантиметровом диапазоне длин волн на угловых масштабах, важных для космологии.

3. Степень поляризации пылевого облака в области созвездия Персея, по результатам обработки данных РАТАН-600 оказалась незначительной (—2%). На высоких галактических широтах число пылинок, пропорциональное числу водородных атомов на луче зрения, оказалось в 1000 раз меньше, чем в облаке в области созвездия Персея. Сделан вывод, что дипольное излучение макромолекул имеет малое влияние на исследования поляризации реликтового фона.

4. Получено, что двухчастотный (74см-7.6см) спектральный индекс фонового излучения в околозенитном обзоре не является постоянным, а испытывает пространственные вариации даже на высоких галактических широтах.

Среднее значение среднеквадратичного отклонения отсчетов для синхротронного шума Галактики в полосе околозенитного обзора на волне наблюдения 7.6см равно dT = 51 /Ж ± 3.3 /Ж для /=2000, уровень которого позволяет проводить исследование реликтового излучения на коротких сантиметровых и миллиметровых волнах.

5. В результате исследований объектов RZF-каталога получено, что доля объектов с инверсионными спектрами составляет около 1% при а>1 и 5% при а>0 (S ~ va). Это — небольшая доля и соответствующие области можно экранировать от источников при изучении реликтового фона. Новизна и научная значимость.

Значительно детальнее, чем ранее исследовано влияние атмосферного шума на наземные эксперименты по анизотропии реликтового фона и выработаны рекомендации по селекции и чистке атмосферного шума.

Дипольное излучение макромолекул ранее исследовалось, но наблюдения были противоречивыми. В данной работе получены новые независимые оценки, которые сравнены с современными данными.

Исследованы полные, предельно глубокие, разрезы неба в околозенитном обзоре на масштабах, недоступных другим инструментам.

Полученные, более точные сведения о зависимости спектра синхротронного излучения от координат на небесной сфере в области зенитного обзора, позволили уточнить особенности синхротронного фона Галактики на крупных масштабах (на малых мультиполях).

По результатам исследования статистики спектральных свойств радиоисточников объектов RZF-каталога оценена роль объектов с инверсионными спектрами.

Научная и практическая ценность работы.

Полученные результаты по фоновым составляющим важны для практического применения в экспериментах по исследованию реликтового излучения Вселенной. Они уже частично внедрены и используются в работах по программе «Генетический код Вселенной». Апробация результатов.

Результаты работы обсуждались автором диссертации на 11 научных конференциях и симпозиумах в России и за рубежом:

1. XXII конференция «Актуальные проблемы внегалактической астрономии», Пущино, 6−18 июля 2005.

2. Международная конференция «The XXXV Young European Radio Astronomer’s Conference», Кальяри, Италия (2005).

3. XXIII-конференция «Актуальные проблемы внегалактической астрономии». Пущино, 25−27 апреля 2006 г.

4. Международная конференция «The XXXVI Young European Radio Astronomer’s Conference», Голландия, 12−15 сентября 2006 г.

5. IX Russian-Finnish Symposium on Radio Astronomy «Multi-Wavelength Investigations of Solar and Stellar Activity and Active Galactic Nuclei», October 15−20, 2006.

6. Международная конференция «Сахаровские осцилляции и радиоастрономия», САО РАН, 15−19 октября 2007 г.

7. Международная конференции «Физика Космоса». 27−31 мая 2007 г.

8. Международная конференция «The XXXVII Young European Radio Astronomer’s Conference», Франция, 4−7 сентября 2007 г.

9. Всероссийская Астрономическая конференция ВАК-2007.

10.The X Finnish-Russian Radio Astronomy Symposium «Multi-Wavelength Investigations of Solar and Stellar Activity and Active Galactic Nuclei».

Finland, 1−5 September, 2008. 11. Радиоастрономическая конференция «Повышение эффективности и модернизация радиотелескопов России». САО РАН, 22−27 сентября 2008 г., программа и тезисы. Список публикаций по теме диссертации.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих 13 работах, из которых 5 статей опубликованы в двух научных журналах из списка изданий, рекомендованных ВАК и 8 работ в материалах Всероссийских и международных конференций.

1. Бурсов Н. Н., Парийский Ю. Н., Майорова Е. К., Мингалиев М. Г., Берлин А. Б., Нижельский Н. А., Глушкова И. А., Семенова Т. А. Околозенитный обзор неба на РАТАН-600. Каталог радиоисточников. — Астрономический журнал, 2007, т.84, № 3, с.227−244.

2. Семенова Т. А., Бурсов Н. Н., Парийский Ю. Н. Радиоспектры объектов RZF-каталога РАТАН-600 и популяционный анализ слабых радиоисточников. Астрономический журнал, 2007, т.84, № 4, с.291−297.

3. Семенова Т. А., Парийский Ю. Н., Бурсов Н. Н. Об «Х-компоненте» в фоновом излучении радио-неба. Астрономический журнал, 2009, т.86, № 1, с.3−11.

4. Семенова Т. А., Парийский Ю. Н., Цыбулев П. Г. О требованиях к методам «просветления» атмосферы при наземных радиоастрономических наблюдениях фоновых радиоизлучений Вселенной. Астрофизический бюллетень, 2009, т.64, № 2, с.111−118.

5. Семенова Т. А., Бурсов Н. Н., Парийский Ю. Н. Синхротронное излучение Галактики по данным RZF-обзора на РАТАН-600. Астрофизический бюллетень, 2009, т.64, № 3, с.213−219.

6. Bursov N.N., Majorova Е.К., Semenova Т.А., Mingaliev M.G., Berlin A.B., Nizhel’skij N.A., Tsibulev P.G. RZF Survey. — IX Russian-Finnish Symposium on Radio Astronomy Multi-Wavelength Investigations of Solar and Stellar.

Activity and Active Galactic Nuclei. Program and abstracts, p. 14. October 1520, 2006.

7. Семенова T.A., Парийский Ю. Н., Бурсов H.H. «Spinning dust» и другие фоновые излучения неба по данным РАТАН-600. Труды Всероссийской Астрономической конференции ВАК-2007, с. 389.

8. Tamara Semenova. Between NVSS and IRAS: search for a new population of sky objects at RATAN-600. XXXVII Young European Radio Astronomers Conference, 4−7 September, 2007, Bordeaux, France. Program and Abstract Book, p.30.

9. Парийский Ю. Н., Бурсов H.H., Соболева H.C., Темирова А. В., Семенова Т. А., Майорова Е. К., Нижельский Н. А., Берлин А. Б. Поиск новый популяции фоновых радиоисточников на сантиметровых волнах. — Тезисы докладов международной конференции «Сахаровские осцилляции и радиоастрономия», 15−19 октября 2007 г., САО РАН. Программа и тезисы докладов, с. 11.

Ю.Семенова Т. А., Парийский Ю. Н. «О фоновых излучениях неба в см диапазоне длин волн» Тезисы докладов международной конференции «Сахаровские осцилляции и радиоастрономия», 15−19 октября 2007 г., САО РАН. Программа и тезисы докладов, с. 14.

П.Семенова Т. А. Between NVSS and IRAS: Search for New Population of the Sky Objects at RATAN-600. Тезисы докладов международной конференции «Физика Космоса», 27−31 мая 2007 г.

12. Semenova Т.A., Parijskij Yu.N., Bursov N.N. «Radio Spectra of the RATAN-600 RZF objects and population analysis of weak radio sources». Program and abstract. The X Finnish-Russian Radio Astronomy Symposium. Finland, 1−5 September, 2008, p.22.

13.Семенова Т. А., Парийский Ю. Н., Цыбулев П. Г., Веледина А., Бурсов Н. Н. «Атмосферные ограничения для наземных радиотелескопов: опыт РАТАН-600». Радиоастрономическая конференция «Повышение эффективности и модернизация радиотелескопов России». С АО РАН, 2227 сентября 2008 г., программа и тезисы, с. 72. Личный вклад автора диссертации Все 13 работ выполнены в соавторстве:

1. В работах [1, 10] - участие в обработке данных околозенитного обзора на РАТАН-600.

2. В работах [2, 7, 9, 11−13] - участие в обработке наблюдательных данных. Анализ полученных радиоспектров, отождествлений и популяционный анализ объектов выполнены автором.

3. В работах [3, 8] автором выполнены подготовка, проведение наблюдений и обработка данных.

4. В работе [4] - участие в подготовке и сопровождении наблюдений. Обработка измерений проведена автором с использованием программы, разработанной П. Г. Цыбулевым.

5. В работе [5, 6] - участие в обработке и анализе данных.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из Введения, 5 глав, Заключения, списка цитируемой литературы и двух Приложений. Полный объем диссертации составляет 142 страниц, в том числе 39 рисунков, 4 таблиц, два Приложения на 42 страницах и Список литературы содержит 127 наименования на 7 страницах. Краткое содержание работы.

Выводы по Главе 5.

Сравнение данных по радиоспектрам объектов RZF-каталога, на порядок более глубокого, чем GB, с радиоспектрами популяции, сильных радиоисточников, указывает на ощутимое изменение в распределении объектов по спектральным индексам. Это обычно интерпретируется, как изменение относительной роли популяций объектов с крутыми, плоскими и инверсионными спектрами. Уменьшение доли объектов с крутыми и ультракрутыми спектрами при переходе к слабым радиоисточникам подтверждает значительное падение роли объектов типа FRII. Модельные эволюционные оценки в разные годы давали различные результаты. Это можно проследить по публикациям в разные годы [Fonaroff B.L., et al., 2003; Пахольчик А. Г., 1986; Jackson С.A., et al., 1999; Ord L.M., et al., 2005; Jackson C.A., et al., 2004; Jarvis M.J., et al., 2004]. Наши данные ближе к оценкам [Jarvis M.J., et al., 2004], которые предсказывают сильное падение вклада мощных радиогалактик на плотностях потока близких к RZF-каталогу. Эта интерпретация подтверждается и морфологическими данными по области неба околозенитного обзора, где имеются данные по каталогу FIRST. Однако, как показывает анализ цветов родительских галактик по многоцветным данным SDSS, это не говорит о полном их исчезновении и, даже в относительно небольшой области неба околозенитного обзора, может быть несколько объектов с z > 4. Экстраполируя на все небо, их число должно быть близким к 100 000. Объекты с плотностью потока 10 мЯн на таких красных смещениях заведомо являются радиоисточниками высокой светимости, и их число отражает обилие сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной. Пример такого объекта с массой черной дыры 109 солнечных масс на красном смещении z = 4.515 недавно обнаружен в предыдущем глубоком обзоре на РАТАН-600 по программе «Большое Трио» [Копылов А.И. и др., 2004]. Как известно из модельных экспериментов, наличие значительного числа родительских галактик с признаками взаимодействия с соседями («merging») упрощает проблему раннего формирования сверхмассивных черных дыр.

Кардинальное изменение популяционного состава радиоисточников по теоретическим оценкам последних лет должно произойти на более низких уровнях плотностей потока, где все популяции высокой и даже средней радиосветимости уже не дают вклада в LgN-LgS. Модельные предсказания здесь активно публикуются в связи с оценкой роли SKA1 с чувствительностью до 25нЯн [Jarvis M.J., et al., 2004].

1 SKA — Square Kilometre Array.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. На основании анализа многолетних, многочастотных данных, полученных на РАТАН-600, показано, что большие наземные радиотелескопы могут успешно применяться, для комплексных исследований реликтового фона и давать полную информацию о важных частотно-зависящих фоновых излучениях с высокой чувствительностью на масштабах Сахаровских осцилляций.

2. Рассматриваемые в работе методы селекции данных и чистки атмосферного фона дают ощутимый выигрыш в чувствительности при сравнительно небольших потерях. Мы считаем, что атмосферный шум является одним из основных ограничений при исследовании анизотропии (параметр I) и необходима тщательная селекция данных от этого шума.

3. По результатам обработки 1700 часовых сканов наблюдений, получено, что среднее положение излома спектра мощности по шкале частот равен 0,1 Гц на волне 1.38см, а на волнах длиннее и короче 1.38см излом смещен в сторону более низких частот ~ 0.03 Гц. Наиболее эффективна оказалась «двумерная селекция» данных на плоскости «время-угловой масштаб» с помощью вейвлет-анализа. Такая фильтрация шумов атмосферы позволяет проводить исследования анизотропии реликтового фона в сантиметровом диапазоне длин волн на угловых масштабах, важных для космологии.

4. Степень поляризации пылевого облака в области созвездия Персея, по результатам обработки данных РАТАН-600 оказалась незначительной (~2%). На высоких галактических широтах число пылинок, пропорциональное числу водородных атомов на луче зрения, оказалось в 1000 раз меньше, чем в облаке в области созвездия Персея. Сделан вывод, что дипольное излучение макромолекул имеет малое влияние на исследования поляризации реликтового фона.

5. Гипотезу SNR, остатка сверхновой с плоским спектром, можно отклонить не только по радио спектру, но и по ничтожной поляризации, измеренной на волне 6.25 см. Отсутствие мощных локальных источников малого углового размера закрывает вариант скопления ультра-компактных HII областей.

6. Получено, что двухчастотный (74см-7.6см) спектральный индекс фонового излучения в Зенитном обзоре не является постоянным, а испытывает пространственные вариации даже на высоких галактических широтах.

Среднее значение среднеквадратичного отклонения отсчетов для синхротронного шума Галактики в полосе околозенитного обзора на РАТАН-600 на волне наблюдения 7.6см равно dT=5l/iK±3.3juK, уровень которого позволяет проводить исследование реликтового излучения.

7. В результате исследований объектов RZF-каталога получено, что доля объектов с инверсионными спектрами составляет около 1% при, а > 1 и 5% при, а > 0 (S~v-Ct). Это — небольшая доля и соответствующие области можно экранировать при изучении реликтового фона.

8. Сравнение данных по радиоспектрам объектов RZF-каталога, на порядок более глубокого, чем GB, с радиоспектрами популяции сильных радиоисточников, указывает на ощутимое изменение в распределении объектов по спектральным индексам. Это обычно интерпретируется как изменение относительной роли популяций объектов с крутыми, плоскими и инверсионными спектрами. Уменьшение доли объектов с крутыми и ультра-крутыми спектрами при переходе к слабым радиоисточникам подтверждает значительное падение роли объектов типа FRII. Наши данные предсказывают сильное падение вклада мощных радиогалактик на плотностях потока близких к RZF-каталогу, эта интерпретация подтверждается и морфологическими данными по области неба околозенитного обзора, где имеются данные по каталогу FIRST. Однако, как показывает анализ цветов' родительских галактик по многоцветным данным SDSS обзора, это не говорит о полном их исчезновении и, даже в относительно небольшой области неба околозенитного обзора, может быть несколько объектов с z > 4.

БЛАГОДАРНОСТИ.

Автор выражает искреннюю благодарность и признательность своему научному руководителю Парийскому Юрию Николаевичу за помощь и поддержку на протяжении всей работы, Мингалиеву Марату Габдулловичу за поддержку, ценные рекомендации и помощь в организации наблюдений, Бурсову Николаю Николаевичу за предоставление архива данных, полученных ранее, разработанных им программ, помощи в проведении наблюдений и обработке данных, Цыбулеву Петру Григорьевичу за предоставление, разработанной им программы, Ковалеву Юрию Андреевичу за ценные советы и рекомендации.

Также выражаю благодарность сотрудникам Лаборатории радиометров континуума и Лаборатории антенных систем за помощь в сопровождении наблюдений.