КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 22-12-00236
НазваниеРадиотранзиенты: поиск и исследование
РуководительТюльбашев Сергей Анатольевич, Доктор физико-математических наук
Организация финансирования, регионфедеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им.П.Н.Лебедева Российской академии наук, г Москва
Годы выполнения при поддержке РНФ | 2022 - 2024 |
КонкурсКонкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-704 - Физика и эволюция звезд и межзвездной среды
Ключевые словарадиотранзиент, переменность, пульсар, вращающийся радиотранзиент, межпланетная среда, межзвездная среда, межгалактическая среда, компактные радиоисточники, метровый диапазон длин волн
Код ГРНТИ41.23.33
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
В проекте будет проведен поиск и исследование разного рода радиотранзиентов, наблюдаемых в метровом диапазоне длин волн на временных интервалах длительностью от миллисекунд до минут. На настоящий момент времени наиболее интересными из этих транзиентов представляются транзиенты типа вращающихся радиотранзиентов (rotating radio transient (RRAT) - особый вид пульсаров) и FRB (быстрые радиовспышки (радиовсплески)). Как известно, первоначально пульсары были открыты как повторяющиеся импульсы в радиодиапазоне. Анализ времени прихода этих импульсов показал высокую добротность процесса. В 2006 году были открыты пульсары с очень редкими по времени вспышками. Промежутки между отдельными импульсами могут доходить до нескольких часов. Причины такого редкого появления этих вспышек и физика таких пульсаров (RRAT) пока не ясна. Внегалактические быстрые радиовспышки (FRB) были открыты в 2007 году. Длительность вспышек FRB сравнима с длительностью вспышек RRAT, но FRB имеют внегалактическое происхождение. Природа FRB, в целом, также не ясна. Наиболее вероятной, на данный момент времени, кажется гипотеза о том, что FRB являются магнитарами. Помимо FRB и RRAT за последние годы были открыты и другие виды относительно быстрых транзиентов, о природе которых пока вообще ничего не известно. Например, в обзоре LOFAR был найден транзиент на частоте 60 МГц с плотностью потока порядка 20 Ян и длительностью 11 минут (Stewart,2016,MNRAS). В обзоре длительностью больше 10000 часов на LWA на частоте 34 МГц был обнаружен транзиент с плотностью потока около 830 Ян и длительностью 15-20 секунд (Varghese,2019,ApJ). В наблюдениях на частотах от гигагерц до десятков мегагерц наблюдаются и другие транзиенты, имеющие малую длительность по времени, природа которых известна (вспышки метеоров, разного рода процессы на Солнце и другие).
Общее количество открытых (опубликованных) быстрых транзиентов типа RRAT и FRB невелико. На данный момент - это примерно 100 объектов типа RRAT и примерно 120 объектов типа FRB. Также известны около 3000 пульсаров (https://www.atnf.csiro.au/people/pulsar/psrcat/), в основном открытых в радиодиапазоне. Так как типичная длительность импульса секундного пульсара, RRAT и FRB объекта примерно одинаковая (несколько миллисекунд), то с точки зрения наблюдателя поиск одиночных импульсов от такого рода объектов - это одна и та же задача.
RRAT объекты - это пульсары, но причина такого редкого появления их импульсов пока не ясна. Возможно, это пульсары на стадии "умирания", возможно мы видим гигантские импульсы каких-то далеких пульсаров и не видим их регулярного излучения. Есть и ряд других гипотез. На настоящий момент известно слишком мало RRAT и практически отсутствуют их долговременные исследования, которые смогли бы дать однозначный ответ об их природе.
Поиски пульсаров, проводимые в настоящее время и в прошлом, следуют одной схеме: Максимально возможное время (десятки минут) накопления первичных данных в направлении плоскости Галактики, где и должна находиться подавляющая часть пульсаров, согласно общепринятым теориям об их образовании, и относительно небольшое время накопления (минуты) вне плоскости Галактики. Такая схема наблюдений позволяет минимизировать время обзора больших площадок на небе и максимизировать количество находимых объектов. Однако, при такой схеме поиска будут часто теряться "нестандартные" объекты, например, пульсары с нестабильным излучением - вспышечные, с нуллингами (длительное пропадание импульсов), с сильной переменностью и другие. Несмотря на общее большое количество открытых пульсаров, известно всего несколько десятков этих редких объектов. В то же время именно на объектах, имеющих необычные свойства, хорошо тестировать гипотезы о природе их возникновения класса объектов, механизмах излучения и другое. Любые теоретические изыскания должны объяснять все наблюдаемые особенности, и поэтому даже один обнаруженный необычный объект эквивалентен тысячам объектов с одинаковой совокупностью признаков.
Для поиска редко встречающихся типов пульсаров, а также RRAT и FRB, нужны особенные условия. В идеале - это одновременные наблюдения всего неба на долговременных (от дней до лет) промежутках времени на разных частотах и с высокой мгновенной чувствительностью. Радиотелескопов, позволяющих проводить такие наблюдения пока не существует. Частично этому идеалу удовлетворяют мониторинговые наблюдения на антенне БСА ФИАН на частоте 111 МГц. Они уже позволили обнаружить 31 новый пульсар (2/3 из которых находятся во внегалактической плоскости), а также 35 транзиентов типа RRAT.
Продолжение этих мониторинговых работ позволит проводить поиск редких объектов, включая их долговременные исследования, а также поиск и долговременное исследование объектов типа RRAT. На настоящий момент времени поиск ограничен мерами дисперсии 100 пк/см^3, но при увеличении границ поиска до мер дисперсии 200 пк/см^3 есть вероятность обнаружения большего числа FRB. Так на мерах дисперсии от 100 до 200 пк/см^3 в наблюдениях дециметрового диапазона уже обнаружено 11 FRB (http://frbcat.org/).
Долговременные (на интервалах годы) исследования RRAT объектов очень немногочисленны, и проводимый обзор даст уникальную возможность поиска сходства и различий между RRAT и классическими пульсарами. Если мониторинг удастся продолжить, то к 2023 году появятся ежедневные наблюдения пульсаров и транзиентов на почти половине небесной сферы на интервале 9 лет.
Поиск новых типов транзиентов с импульсами появляющимися на интервалах времени от десяти секунд до часов с учетом того, что их природа не известна – это несомненно важная научная задача. Мониторинговые, многолетние, многолучевые наблюдения позволяют провести поиск такого рода транзиентов, имеющих плотность потока на порядок меньше, чем у нескольких транзиентов, уже зарегистрированных на частотах ниже частоты наблюдений БСА ФИАН.
Научная новизна проекта заключается в возможности обнаружения и исследования редких и необычных по своей природе объектов. Эта возможность основана на реализации единственного в мире проекта ежедневного обзора половины небесной сферы в радиодиапазоне, проводимом на телескопе, имеющем чувствительность сравнимую с чувствительностью лучших телескопов мира. Получаемые данные позволяют вести долговременные исследования и поиск любых коротких транзиентов. Актуальность проекта определяется тем, что общее количество открытых коротких транзиентов мало, а в метровом диапазоне очень мало. Поэтому обнаружение новых коротких транзиентов и их статистические исследования дадут ограничения на теоретические модели.
Ожидаемые результаты
Ожидаемые результаты по предлагаемым направлениям по наблюдениям на радиотелескопе БСА ФИАН:
1) Открытие не менее 50 новых транзиентов типа RRAT. С учетом уже открытых нами RRAT (опубликованные статьи) общее количество транзиентов, открытых в Пущино, будет больше общего количества транзиентов, открытых на самых лучших на настоящий момент времени телескопах мира.
2) Открытие более 100 новых пульсаров. Ожидается, что существенная часть этих новых пульсаров будут иметь необычные свойства (вспыхивающие, выключающиеся, с длительными нуллингами, с гигантскими импульсами).
3) Открытие объектов типа FRB и проверка гипотез об их возможной природе.
4) Исследование переменности, как связанной со средой, так и собственной, по наблюдениям очень компактных радиоисточников, по данным, получаемым в ходе мониторинга на длительных (порядка 9 лет) промежутках времени.
5) Исследование известных пульсаров, попадающих в площадку обзора: поиск новых пульсаров с гигантскими импульсами, пульсаров - соосных ротаторов, пульсаров с дрейфом субимпульсов, магнетаров, вспышечных пульсаров, пульсаров с нуллингами.
6) Обнаружение новых типов транзиентов, имеющих длительности вспышек от 10 секунд до нескольких минут и плотности потока больше нескольких Янских, либо получение верхних оценок частоты появления такого рода транзиентов в метровом диапазоне длин волн.
Пункты 1), 3), 5), 6) соответствуют высочайшим мировым стандартам. Пункты 2) и 4) находятся на мировом уровне. В рамках пунктов 1,2,3 при поиске новых объектов будут тестироваться самообучаемые системы.
Практическое использование результатов проекта связано с тем, что при выполнении работ разрабатывается система быстрой обработки данных большого (до петабайта) объема, позволяющая проводить поиск сверхслабых сигналов в данных с наличием помех.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
При поиске пульсаров и транзиентов необходимо записывать большие объёмы информации. Обработка полученного объёма информации – это отдельная сложная задача. На настоящий момент времени объём записанных данных составляет примерно 300 терабайт. Для обработки куплены два сервера, на одном из которых будет проводиться поиск пульсаров и транзиентов, а на другом будут считаться задачи по их исследованию. Для убыстрения поиска программы переписываются под многопоточный режим обработки. При обработке одного дня создаётся около миллиарда файлов. Запись обработанной информации на жёсткие диски занимает очень много времени, поэтому в модернизированной программе поиска предусмотрена возможность хранения всей обрабатываемой информации в оперативной памяти. Запись на жёсткие диски производится после обработки одного года наблюдений, в ходе которого суммируются все спектры мощности, относящиеся к одному направлению на небе. Сервера прибыли в обсерваторию в ноябре, первые результаты счёта ожидаются в феврале 2023 года.
В ходе обработки одного направления на небе, размеры которого определяются как полуширина диаграммы направленности по прямому восхождению (примерно 3.5 минуты записи), создается примерно 3000 файлов, сохраняющих спектры мощности с учетом перебора мер дисперсии (DM) в промежутке 0-1000 пс/см^3 и возможные ширины импульсов с перебором от 12.5мс до 400 мс. Чтобы не терять чувствительность, точки на небе берутся через каждые 1.5 минуты. Один час наблюдений составляет 40 направлений на небе. Всего наблюдается 128 лучей, выстроенных в плоскости меридиана. Всё доступное для БСА3 небо разбивается на 40направлений*24часа*128лучей=122880пикселей. Для показа всех спектров мощности, относящихся к данному направлению на небе, создана специальная программа визуализации. Каждый пиксель просматривается глазами.
Показано, что теоретическая чувствительность в обзоре PUMPS (PUshchino Multibeams Pulsar Search) при накоплении 7 лет наблюдений достигает 0.1 мЯн на частоте 111 МГц. Она более чем на порядок превосходит чувствительность, достигнутую в обзоре LOTAAS, сделанного системе апертурного синтеза LOFAR на близкой частоте (140 МГц), и в 3-4 раза превосходит чувствительность в обзоре GPPS, проводимом на телескопе FAST на частоте 1.2 ГГц. Показано также, что деградации чувствительности для пульсаров с периодом несколько минут практически не будет ощущаться до DM=1000 пс/см^3.
Проверка практической чувствительности показала, что в обзоре PUMPS детектируются все пульсары, найденные в поиске на LOFAR. В то же время LOFAR не обнаруживает примерно половину новых пульсаров, найденных в PUMPS. Чувствительность, достигаемая в обзоре PUMPS, действительно выше, чем в обзоре LOFAR.
Поиск с использованием карт визуализации спектров мощности позволил обнаружить 11 новых пульсаров. Поиск проводился по избранным точкам (направлениям) на небе. В построенных суммированных спектрах мощности для этих направлений были обнаружены гармоники, имеющие СШ>6, но ранние попытки не смогли надёжно показать, являются ли эти гармоники новыми пульсарами. Проверка кандидатов показала, что часть из них являются пульсарами, наблюдаемыми в боковых лепестках антенны, часть - периодическими помехами, а часть - новыми пульсарами.
Поиск RRAT проводился разными способами. В одном из них использовалась рекуррентная нейронная сеть. Сеть позволила обнаружить 4 новых RRAT в данных, поиск в которых проводился ранее, и позволил обнаружить 33 транзиента. Во второй работе в ходе проверке качества наблюдений во вновь подключенных лучах БСА3 с использованием метаданных, было обнаружено 4 RRAT (статья готовится к печати).
В рамках подготовки работ к следующему году отправлено в журналы 3 статьи. За декабрь 2022-февраль 2023 планируется отправить ещё 3 статьи. Результаты работы по поиску пульсаров и транзиентов отражены на сайте https://bsa-analytics.prao.ru
Публикации
1. Тюльбашев С.А., Китаева М.А., Тюльбашева Г.Э. Pushchino multibeam pulsar search - I. Targeted search of weak pulsars Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, v.517 pp.1112-1125 (год публикации - 2022).
2. Тюльбашев С.А., Первухин Д.В., Китаева М.А., Тюльбашева Г.Э., Брылякова Е.А., Черносов А.В. Revisiting Pushchino RRAT search using neural network Astronomy and Astrophysics, V.664, p. A37 (год публикации - 2022).
3. Тюльбашев С.А., Тюльбашева Г.Э., Китаева М.А. Pushchino multibeams pulsar search. First results Proceeding of science, conference "The Multifaceted Universe: Theory and Observations", PoS(MUTO2022)043 (год публикации - 2022).