УДК 524.7-77
ЭКСПЕРИМЕНТ "ХОЛОД": ПОИСК НОВОЙ ПОПУЛЯЦИИ
РАДИОИСТОЧНИКОВ
© 2012 г. Ю. Н. Парийский1, Н.С.Соболева2, А. В. Темирова2*, Н. Н. Бурсов1, О. П. Желенкова1
1Учреждение Российской академии наук Специальная астрофизическая обсерватория РАН, Нижний Архыз Карачаево-Черкесской Республики, Россия
2С.-Петербургский филиал Учреждения Российской академии наук Специальной астрофизической обсерватории РАН, С.-Петербург, Россия Поступила в редакцию 06.10.2011 г.; принята в печать 22.11.2011 г.
Опубликованные данные многолетних наблюдений на РАТАН-600 на волне 7.6 см полосы неба на склонении 5 « 5° использованы для оценки некоторых статистических свойств радиоисточников. Уточнены ограничения в чувствительности проведенного обзора шумами фоновых радиоисточников, доминирующих над чувствительностью радиометра. Показано, что подавляющая часть шума фоновых радиоисточников связана с популяцией известных радиоисточников (типа ЫУББ с порогом 2.3 мЯн) с "нормальными" спектрами (а = 0.7—0.8, Б <х ), зарегистрированных в новых глубоких обзорах неба в дециметровом диапазоне. При удалении из данных наблюдений всех таких объектов остается шум, повторяющийся в независимых группах наблюдений. Этот шум предлагается отнести к шуму от новой популяции радиоисточников, не попавших в известные каталоги на уровне 0.6 мЯн на волне 7.6 см. Исследованная зависимость числа объектов с крутыми спектрами от красного смещения показывает, что чувствительность проведенного обзора достаточна, чтобы зарегистрировать все мощные радиоисточники типа РШ1 на любом красном смещении вплоть до эпохи формирования первых галактик, и при этом новая популяция скорее всего связана с объектами малой радиосветимости на красных смещениях г < 1. Обращается внимание на то, что, несмотря на появление новых средств прямого исследования далеких галактик, поиск объектов с очень большими красными смещениями среди радиоисточников с крутыми спектрами остается одним из наиболее эффективных методов изучения ранней Вселенной.
1. ВВЕДЕНИЕ
Радиотелескоп РАТАН-600 был предложен как дополнение к обычным рефлекторным радиотелескопам (параболоидам) в качестве "транзитного" поискового многочастотного инструмента с достаточно большим суточным полем зрения и разрешением выше, чем у параболоида той же площади. Такие поисковые инструменты в сантиметровом диапазоне волн практически отсутствуют. Дело в том, что подавляющее число фоновых радиоисточников имеет "нормальный" спектр, падающий почти линейно с укорочением длины волны. Поле зрения радиотелескопа падает пропорционально квадрату длины волны. Уменьшается и время прохождения радиоисточника через диаграмму радиотелескопа. Поэтому при переходе от дециметрового диапазона к сантиметровому для "слепого обзора" той же области неба с той же глубиной по отношению
E-mail: adelina_temirova@mail.ru
к фоновым радиоисточникам понадобится время почти на 4 порядка большее [1].
Глубокие поисковые обзоры больших участков неба были начаты на РАТАН-600 радиоастрономами ГАИШ сразу после завершения его строительства. Малое время прохождения источников через диаграмму радиотелескопа ограничивало чувствительность обзора. Надежды на то, что на небе в сантиметровом диапазоне будут доминировать объекты с "инверсионными" спектрами, не оправдались. Создание группой Д.В. Королькова нового поколения криорадиометров с чувствительностью, в несколько раз более высокой, чем ранее [2], и отказ от обзора больших областей неба должно было повысить глубину таких "слепых обзоров". Эксперимент ХОЛОД (1980-2000 гг.) объединил поисковый обзор дискретных радиоисточников с предельно глубокими исследованиями анизотропии реликтового излучения [3-7]. Чувствительность к популяции радиоисточников с нормальными спектрами в этом эксперименте оказалась существенно
выше чувствительности всех имевшихся в начале 80-х гг. каталогов, и подавляющая часть объектов была новой.
Только с появлением Техасского дециметрового каталога нового поколения на волне 80 см UTRAO1 удалось получить довольно глубокую выборку объектов с крутыми и ультракрутыми спектрами. Крутизна радиоспектра — один из основных признаков, по которому отбираются кандидаты в далекие объекты [8—10]. Проект "Большое трио" с участием трех больших инструментов (РАТАН-600 - VLA - 6-м телескоп САО РАН) [5, 11-38] был направлен на использование этой выборки источников для селекции кандидатов в предельно далекие галактики. Чувствительности РАТАН-600 достаточно, чтобы регистрировать в "слепых обзорах" все мощные радиоисточники на любых красных смещениях.
Появление в XXI в. глубоких обзоров в 100 раз чувствительнее прежних кардинально меняет стратегию слепых обзоров. В таких обзорах на РАТАН-600 сегодня практически нет новых радиоисточников в сантиметровом диапазоне, отсутствующих в каталогах NVSS (FIRST) на волне 21 см. Сегодня новыми радиоисточниками, доступными наблюдениям на РАТАН-600 и отсутствующими в NVSS каталоге, могут быть только объекты с максимумом излучения в сантиметровом диапазоне волн (например, в случае спектра, соответствующего синхротронному самопоглощению — SSA). Этих объектов мало, и для их слепых обзоров выгоднее расширять область обзора, а не углублять наблюдения малой области обзора. Это понятно, если учесть, что повторение наблюдений одной и той же области повышает чувствительность в корень из числа наблюдений раз, а зависимость числа объектов от плотности потока в сантиметровом диапазоне почти линейная (N & S_1). Поэтому при фиксированном полном времени наблюдений расширение области обзора даст ощутимый выигрыш в числе новых объектов по сравнению с повторными наблюдениями одной и той же ограниченной области.
Все эти проблемы привели радиоастрономов к более простой методике - к наблюдениям радиоисточников в сантиметровом и миллиметровом диапазонах с длительным накоплением сигнала при наведении радиотелескопа на объекты NVSS (FIRST) каталогов. Сегодня, к сожалению, даже эта методика не позволяет построить спектры всех обнаруженных в дециметровом диапазоне объектов - требуется чувствительность в несколько микроянских, которая пока достигнута только в предельно глубоких VLA-обзорах очень малых
'Каталог был любезно предоставлен проф. Дж. Дугласом
до его опубликования.
областей неба [39]. Слепой обзор столь малых областей дает важную информацию о свойствах радиоисточников малой светимости, и, как правило, никакой информации о классических радиогалактиках высокой радиосветимости (FRI, FRII, QSR) такие обзоры не дают.
2. ШУМ ФОНОВЫХ ИСТОЧНИКОВ
Если в 50-х гг. прошлого века чувствительность радиотелескопов на волнах метрового диапазона оказалась ограниченной шумом фоновых радиоисточников и была надежда, что в сантиметровом диапазоне он мал (пропорционален кубу длины волны [40]), то в XXI в. практически весь радиоастрономический диапазон оказался подверженным этому шуму при наблюдениях с обычными рефлекторами. РАТАН-600 при наблюдениях на Южном секторе с плоским отражателем имеет тот же предел по шуму фоновых радиоисточников, как и параболоид с такой же площадью поверхности. При наблюдениях на средних и высоких углах места с одним сектором радиотелескопа его эффективная диаграмма направленности значительно меньше, чем у параболоида той же площади, и соответственно меньше шум "насыщения".
Двумерное картографирование на высоких углах места при разумной обработке данных позволяет почти на порядок уменьшить шум насыщения [41]. Оптимальная фильтрация данных даже в одномерных обзорах дает почти такие же результаты, как и фильтрация двумерных карт. Даже простое обычное близкое "двухлучевое сканирование" (первая производная) существенно снижает шум насыщения. Брейсвелл [42, 43] в 50-х гг. XX в. предложил использовать метод второй производной ("Cord Constraction in Radio Astronomy") для снижения шума насыщения. Этот метод оказался весьма эффективным для диаграммы РАТАН-600 на высоких углах места. Оказалось, что он оставляет только шум от точечных радиоисточников, попадающих в центральную полосу обзора, ограниченную полушириной диаграммы направленности по склонению. Однако с новым поколением кри-орадиометров даже в небольших циклах наблюдений шум "насыщения" доминирует над шумом радиометра. Это видно и в эксперименте ХОЛОД: ожидаемый шум радиометра на волне 7.6 см в месячном цикле наблюдений существенно меньше реального (рис. 1), и корреляция между данными двух небольших циклов наблюдений составляет почти 100%. Если в первом цикле наблюдений эксперимента ХОЛОД в 1980 г. все источники были новыми, то с появлением каталогов типа NVSS, FIRST они все имеют аналоги в этих глубоких обзорах.
T„, K
0.05 -
0.04 -
0.03 -
0.02 -
0.01 -
0 -
-500
0.05 -
0.04 -
0.03 -
0.02 -
0.01 -
0 -
-500
Холод-94
(а)
V 4 ■ АУЛЛ!W-^-vU Ibswh MMN -
GB-предел i_
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 35001, c (б)
500 1000 1500 2000 2500 3000 35001, c 15h <RA <16h
Рис. 1. (а) — Пример реального шума с учетом фоновых радиоисточников (показан порог каталога GB6). (б)-Ожидаемый шум радиометра на центральной волне 7.6 см эксперимента ХОЛОД при месячном осреднении данных.
0
At, c
Рис. 2. Кросс-корреляция двух независимых групп наблюдений в эксперименте ХОЛОД-94 (Л = 7.6 см). По оси абсцисс отложено смещение по времени АЬ между этими группами наблюдений.
Реальный шум насыщения хорошо виден при "
кросс-корреляции двух независимых групп наблю- с
дений (рис. 2) — форма кривой полностью соот- г
ветствует теоретической при отсутствии шумов, >
которые независимы в двух группах. р
Доминирует шум фоновых радиоисточников, п
несмотря на фильтрацию шумов, далеких от оси о
диаграммы фоновых радиоисточников, методом ц
"второй разности или производной", который сегодня называют методом "мексиканской шляпы" (Mexican Hat) [42, 44]. И модель (сглаженные диаграммой направленности РАТАН-600 NVSS-объекты на волне 7.6 см, полученные при построении нормального спектра), и наблюдения, обработанные MHAT-фильтром с целью фильтрации далеких от оси диаграммы фоновых источни-
Остаточная кросс-корреляция 0.0005
0.0004
0.0003
0.0002
0.0001
0
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.