КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
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, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им.П.Н.Лебедева Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ

2022 г. - 2024 г.

Конкурс№68 - Конкурс 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) https://doi.org/10.1093/mnras/stac2404

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) https://doi.org/10.1051/0004-6361/202243213

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) https://doi.org/10.22323/1.425.0043

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В ноябре 2022 года были запущены два сервера, купленные в минимальной конфигурации. Однократная обработка всех данных (объем около 300 Тб) заняла примерно 2 месяца чистого счетного времени, а с учетом исправлений в программе обработке и прочих сбоев 3-4 месяца. Сервера были куплены в конфигурации 1 процессор на сервер, объем оперативной памяти каждого сервера составлял 1 Тб. Это позволило провести поиск пульсаров в 32-канальных данных с помощью суммированных спектров мощности. До этого обрабатывались только 6-канальные данные, имеющие объем данных 1 Тб за год. После докомплектации серверов в этом году каждый сервер имеет 2 процессора и 2 терабайта оперативной памяти. Это позволит провести поиск пульсаров в 32-канальных данных с помощью периодограмм за 3-4 месяца. В течение года была завершена обработка данных, полученных на БСА3 и БСА1 (склонения от -9 до +55о и от +56 до +87о). Проведен поиск вращающихся радиотранзиентов. Проверена проверка FRB кандидатов. В этом году завершается обработка 6-канальных наблюдений с поиском пульсаров, имеющих период больше 2с. Для поиска пульсаров с периодами от 2с до 1.5 минут используются суммированные периодограммы. Полученные в 2023 году научные результаты можно представить как опубликованные, посланные в журналы и готовящиеся к публикации. Всего в 2023 году опубликовано 8 статей, отправлено в журналы 4 статьи, готовится к печати одна статья (находится на стадии оформления). Статьи касаются поиска новых RRAT, поиска новых пульсаров, проверки ранее обнаруженных FRB, влияния межпланетной среды на статистику импульсов пульсаров, исследования отдельных пульсаров. При поиске транзиентов удалось найти 37 новых RRAT (Тюльбашев и др., 2023, ПАЖ; Самодуров и др., 2023, АЖ - опубликованы; Тюльбашев и др., готовится к печати). Для поиска использовались нейронные сети и кластерный анализ. Некоторые из найденных RRAT имеют интересные свойства. Например, пиковая плотность потока сильнейшего импульса найденного транзиента J1312+39 оказалась равной 165 Ян. Так как точная координата транзиента относительно центра луча БСА3 не известна, то реальная плотность потока может быть до 1.5-2 раз выше. Такие высокие оценки пиковой плотности потока J1312+39 присущи сильнейшим пульсарам. В исследуемой площадке (-9о<dec.<+42o) только у трех известных секундных пульсаров наблюдаются сравнимые пиковые плотности потока. Всего у этого транзиента наблюдались три импульса, имеющие СШ=210, 60, 42. Эти три импульса обнаружены на интервале 9 лет наблюдений по 3.5 минуты в день. Отсутствие слабых импульсов связано, вероятнее всего, с тем, что это пульсар с нуллингами. Однако доля нуллингов у этого транзиента выше, чем 99.99%. Подтверждается ранний результат о том, что существуют RRAT, у которых между появлением очередного импульса могут проходить десятки часов. При поиске пульсаров удалось показать, что в отдельных площадках на небе достигнута полнота обзора на уровне 0.5 мЯн (Тюльбашев и Тюльбашева, 2023, АЖ). В этой же работе был разработан метод оценки плотности потока исходя из амплитуды гармоник наблюдаемых в спектрах мощности. Произведена обработка 32-канальных данных. В суммированных спектрах мощности найдено 39 новых пульсаров (Tyul'bashev, MNRAS, submitted). В обзоре PUMPS начиная с 2015 года найдено 80 пульсаров и 80 транзиентов. Больше половины из них найдены во время работы над проектом РНФ. По количеству найденных транзиентов Пущинская радиоастрономическая обсерватория сейчас занимает первое место в мире. Проведены проверки четырех FRB, ранее опубликованных по наблюдениям на БСА3 (Брылякова и Тюльбашев, АЖ, 2023; Труды ИПА, 2022). Для проверки использовались как 6-канальные наблюдения (в которых и были найдены кандидаты), так и 32-канальные наблюдения, которые пишутся параллельно. Была использована методика, повторяющая методику авторов (Федорова и Родин), но быстрые радиовспышки на уровнях СШ>4 не подтверждены. В то же время при проверке качества наблюдений в 32-канальных данных удалось обнаружить сильный (20 Ян) внегалактический рассеянный импульс (Tyul'bashev et al., MNRAS, submitted). В работе Tyul'bashev et al., MNRAS, 2023 удалось показать, что межпланетная плазма заметно искажает статистику наблюдаемых импульсов. На элонгациях 20о-40о, где индекс мерцаний компактных радиоисточников достигает максимума, межпланетная плазма может в разы увеличить или уменьшить количество наблюдаемых импульсов. Получены аналитические выражения, позволяющие для степенного распределения импульсов по энергиям оценить индекс мерцаний по наблюдениям отдельных импульсов. Наблюдательные данные находятся в хорошем качественном соответствии с известными характеристиками межпланетных мерцаний. Результаты работы по поиску пульсаров и транзиентов отражены на сайте https://bsa-analytics.prao.ru

Публикации

1. Брылякова Е.А., Тюльбашев С.А. On the Problems of Detecting Fast Radio Bursts with the LPA LPI Astronomy Reports, Astronomy Reports 67 (2), 163-171 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S106377292302004X

2. Брылякова Е.А., Тюльбашев С.А. О поиске импульсного излучения от магнетара SGR 1935+2154 на БСА ФИАН Труды Института прикладной астрономии РАН, Труды ИПА, 2022, вып. 63, С.3-7 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.32876/ApplAstron.63.3-7

3. Малофеев В.М., Малов О.И., Теплых Д.А., Тимиркеева M.А. ОБНАРУЖЕНИЕ РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ ОТ ГЕМИНГАПОДОБНОГО ГАММА-ПУЛЬСАРА J1836+5925 Письма в Астрономический Журнал, Том 49, номер 10 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31857/S0320010823100029

4. Самодуров В.А., Тюльбашев С.А., Торопов М.О., Долгушев А.В., Орешко В.В., Логвиненко С.В. Detection of two new RRATs at 111 MHz Astronomy Reports, Astronomy Reports, Vol. 67, No. 6, pp. 590–595 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S1063772923070077

5. Тимиркеева М.А., Малов И.Ф. УГЛЫ МЕЖДУ МАГНИТНЫМ МОМЕНТОМ И ОСЬЮ ВРАЩЕНИЯ В РАДИОПУЛЬСАРАХ С ЖЕСТКИМ ИЗЛУЧЕНИЕМ Письма в астрономический журнал, ПАЖ том 49, номер 12 (год публикации - 2023)

6. Тюльбашев С.А., Китаева М.А., Брылякова Е.А., Тюльбашев В.С., Тюльбашева Г.Э. Поиск вращающихся радиотранзиентов в Пущинском многолучевом обзоре Письма в Астрономический Журнал, Письма в Астрономический Журнал, Том 49, номер 10 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31857/S0320010823090061

7. Тюльбашев С.А., Тюльбашева Г.Э. Search for Pulsars in an Area with Coordinates 3h < α < 4h and +21° < δ < +42° Astronomy Reports, Astronomy Reports volume 67, pages 172–180 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S1063772923020099

8. Тюльбашев С.А., Чашей И.В., Китаева М.А. Interplanetary scintillation and pulsar pulse statistics MNRAS, MNRAS, 523, Issue 1, pp.1389-1393 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1093/mnras/stad1461