А
Оглавление
Введение 4
1 Поиск рассеянных звездных скоплений 19
1.1 Введение....................................................19
1.2 Метод автоматического поиска звездных скоплений.............22
1.3 Применение метода к данным обзора 2МА88.....................27
1.4 Результаты..................................................30
1.5 Выводы......................................................45
1.6 Каталог рассеянных скоплений ГАИШ и платформа для его
публикации...................................................46
2 Цвета близких галактик в оптическом и ИК диапазонах 49
2.1 Введение....................................................49
2.2 Эмпирическое вычисление ^-поправок..........................52
2.2.1 Выборка галактик.......................................52
2.2.2 Вычисление ^-поправок..................................56
2.3 Результаты..................................................59
2.3.1 Аналитическое приближение..............................59
2.3.2 Проверка, на спектрах 8Э88 011.7.......................63
2.4 Дискуссия и выводы..........................................66
2.4.1 Сравнение с литературой................................66
2.4.2 Восстановленные звездные величины на ^ = 0 и яркие красные галактики............................................67
2.4.3 Выводы.................................................74
2.5 Приложение..................................................74
2.5.1 Двумерное аналитическое приближение /с-поправок ... 74
2
Оглавление 3
2.5.2 Калькулятор ^-поправок .................................81
3 Отождествление рентгеновских источников 83
3.1 Введение.......................................................83
3.2 Поток облученного аккреционного диска в оптическом/ИК диапазоне на частоте // 85
3.3 Исследование 4111323-619 ..................................... 88
3.3.1 Рентгеновские наблюдения ...............................90
3.3.2 ИК наблюдения...........................................91
3.3.3 Результаты..............................................96
3.3.4 Дискуссия...............................................98
3.4 Отождествление кандидатов в ультракомпактиые рентгеновские двойные системы 101
3.4.1 Отождествление КЖ Л17254-3257 103
3.4.2 Отождествление БЬХ 1735-269 .......................... 106
3.5 Открытие оптического двойника АХ Л194939 1-2631 106
А Программный слой для визуализации данных в УО 127
АЛ АЬ.ч^ас!;.....................................................127
А.2 Введение......................................................128
А.З Устройство программного слоя..................................129
А.4 Детали компонент..............................................130
А.5 Выводы........................................................132
Введение
После нескольких лет интенсивного технологического развития ресурсы Виртуальной Обсерватории (Virtual Observatory, VO) достигли уровня зрелости, достаточного для их каждодневного использования в научных исследованиях. Виртуальная Обсерватория находится на пороге того момента, когда астрономы начинают прозрачно для себя использовать её в рутинной научной работе. В диссертации приводится несколько проектов разного уровня, основанных па использовании ресурсов Виртуальной Обсерватории, которые ведут к научно значимым результатам и практически полностью основываются на повторном использовании существовавших ранее данных.
Что такое Виртуальная Обсерватория? Виртуальная Обсерватория представляет собой реализацию концепции электронной науки в астрономии; это мощная виртуальная среда, предназначенная для увеличения возможностей астрономических исследований и научного выхода данных. Она сформирована архивами данных и средствами их анализа, скрепленными воедино набором однородных стандартов и технологий, которые внедряет и шщдерживает Международный Альянс Виртуальной Обсерватории1 (International Virtual Observatory Alliance, IVOA).
В несколько упрощенном описании увеличение научного выхода данных означает получение большего количества научных результатов (например, опубликованных статей или представленных докладов на конференциях) с каждого гигабайта данных, приходящих с данного конкретного инструмента. Это в конечном счете означает увеличение влияния каждого гигабайта данных на общее развитие науки - в точности так же, как публикация научной работы помимо журнала еще и на сервере препринтов увеличивает ее влияние и роль в отрасли.
Jhctp://ivoa.r.et
4
Введение
5
В традиционном подходе к научной работе львиная доля времени и усилий исследователя затрачивается на разнообразные низкоуровневые операции конвертации форматов, редукции данных и подготовке их к научному анализу, поиску информации, написанию сценариев автоматизированной обработки для многократных операций и других действиях, повторное использование которых зачастую ограничено или вовсе не представляется возможным, тогда как собственно интеллектуальные усилия, анализ и интерпретация подготовленного научного материала, имеющие решающее значение во всем процессе, занимают несравнимо меньшее время. Миссией Виртуальной Обсерватории в широком смысле является разделение творческого, интеллектуального, высокоуровневого процесса от низкоуровневых операций, которые должны либо происходить прозрачно (незаметно) для исследователя, либо быть максимально пригодными для повторного использования в ходе работы над последующими научными задачами. При таких целях на первое место выходят абстрагированные от конкретных инструменчов и наблюдателей данные, готовые к научному использованию, сервисы для доступа к ним и широкий набор соглашений для обеспечения прозрачности рутинных операций. Всем этим в той или иной степени занимается Виртуальная Обсерватория и ее успехи к настоящему моменту и само текущее положение дел уже несет в себе новые возможности для эффективных научных исследований, обходящихся без рутинной низкоуровневой составляющей.
Виртуальную Обсерваторию иногда называют всемирной сетью (World Wide Web, WWW) для астрономов. И на самом деле между ними существует заменатсльное схо;щтво.
1. IVOA играет ту же самую роль для VO, что и W3C2 (World Wide Web Consortium, консорциум всемирной сети) для WWW: это административные организации, ответственные за разработку и внедрение стандартов обмена различными видами информации между сторонами-участниками соответствующих процессов. В качестве примеров в данном случае можно привести спецификации HTML/XHTML, разработанные W3C, и стандарт VOTable, разработанный IVOA
2http://vuv.v3. org
Введение
6
2. Ресурсы являются неотделимой частью обоих концепций. В случае WWW ими являются (1) веб-сайты; (2) порталы и директории; (3) веб-сервисы. В Виртуальной Обсерватории па их месте стоят (1) архивы данных; (2) сервисы доступа к каталогам (например, SDSS CasJobs3); (3) астрономические веб-сервисы
3. Инструменты доступа к ресурсам являются еще одним краеугольным камнем в основании VO и WWW: (1) в WWW мы имеем веб-браузеры (например, INTERNET EXPLORER, FIREFOX, SAFARI), тогда как в VO вместо них используются браузеры данных (например, ASTROGRID VO DESKTOP, CDS ALAD1N, NVO DATASCOPE); (2) искушенные пользователи достаточно часто используют средства для работы с ресурсами из командной строки - CURL или WGET в WWW и аналогично STILTS или ASTRO-RUNTIME в VO; (3) наконец, существуют специализированные клиенты, которые используют WWW/V0-протоколы в качестве инфраструктуры и/или транспорта данных - например, PICASA и GOOGLE EARTH и их аналоги в V0, например VISIVO.
В последние годы Виртуальная Обсерватория достигла существенного прогресса. Со стороны IVOA мы имеем достаточно широкий набор стандартов, которые охватывают форматы данных (VOTable), описания метаданных ресурсов (Resource Metadata), модель данных для одномерных спектров (Spectrum Data Model) и значительно более сложную и емкую Characterisation Data Model, язык запросов к данным (ADQL), протоколы доступа к спектрам и изображениям (SIAP, SSAP), протокол коммуникаций между различными приложениями на. рабочей станции пользователя (SAMP), механизмы аутентификации и авторизации, и другие. Многие стандарты находятся еще на разных стадиях разработки. К настоящему моменту в Виртуальной Обсерватории стало возможным работать даже с чрезвычайно сложными наборами данных - например, ЗО-спектроскопией (Chilingarian et al. 2006, 2008) и результатами N-body симуляций.
В то же самое время, разработчики приложений создали впечатляющий набор VO-инструментов, начиная от самых общих и заканчивая узкоспециа-
3http://сав.sdss.erg
Введение
7
визированными клиентскими средствами.
Поставщики данных и сервисов внесли свой вклад в VO, предоставляя доступ к огромным коллекциям и архивам данных в диапазоне длин волн от радио до гамма. Совсем недавно стали появляться сервисы доступа к теоретическим моделям (например, коллекция теоретических спектров звездных атмосфер в Spanish-VO или синтетические модели PEGASE.2 / PEGASE.HR звездных популяций (Fioc & Rocca-Voimcrange 1997; Le Borgne et al. 2004) в VO-Francc, доступ к результатам космологических симуляций в Italian VO). Также нельзя не упомянуть первые прототипы сервисов для анализа данных и научно-значимых сервисов, ассоциированных с архивами данных, например моделирование епектрофотометрических свойств взаимодействующих галактик в базе данных GalMer (Di Matteo et al. 2008).
Виртуальная Обсерватория используется для научных исследований с 2004 года. Первой работой с научно-значимым результатом стало открытие оптически слабых запыленных квазаров в работе Padovani et al. (2004), которая стала примером исследования во многих диапазонах длин волн, выполненного полностью в рамках инфраструктуры VO. Три года спустя исследования запыленных AGN (Active Galaxy Nuclei, активные ядра галактик) были продолжены (Richards et al. 2007).
Несколько рецензируемых статей было выпущено представителями испанской Виртуальной Обсерватории, открывшими уникальные объекты с помощью инструментов VO (Caballero &; Solano 2007, 2008; Caballero &; Din is 2008).
Статья Bayo et al. (2008) об анализаторе SED (Spectral Energy Distribution, распределение энергии в спектре) в Виртуальной Обсерватории также представляет несомненный интерес как первая в своем роде рецензируемая статья о “виртуальном инструменте”, то есть о сервисе внутри Виртуальной Обсерватории, предназначенном для анализа данных, и его применении к конкретному исследовательскому проекту.
Многие другие исследования использовали инструменты и инфраструктуру Виртуальной Обсерватории в сочетании с доступом к непубличным данным для их анализа. Например, в Chilingarian & Mamon (2008) авторы использовали механизмы Виртуальной Обсерватории для обнаружения и доступа ко всей имеющейся информации о недавно обнаруженном объекте. Этот
Введение
8
пример показывает, как сложно бывает определить понятие научной работы на основе \Ю.
Нельзя не упомянуть о серьезных достижениях Виртуальной Обсерватории на поприще клиентского программного обеспечения, предназначенного непосредственно для взаимодействия с исследователем. Эта отрасль планомерно развивается, заполняя все новые и новые ниши, связанные с рутинной астрономической работой. Кажется, уже не осталось ни одной сферы деятельности, в которую не добрались бы УО-приложсиия, помогая за считанные минуты решать задачи, на которые пару десятилетий лег назад потребовались бы месяцы и даже годы. Отдельные приложения перестают быть средствами- для быстрого просмотра данных, развиваясь в мощные пакеты для специализированного анализа. Приложения, существовавшие в эпоху до Виртуальной Обсерватории, обзаводятся УО-функциоиальностью, интегрируясь в общее поступательное движение. 13 последние два года наметилась отчетливая тенденция к объединению разнородных нишевых УО-приложеиий в единую мощную виртуальную среду на рабочей станции пользователя, благодаря появлению общих протоколов обмена данных между гетерогенным программным обеспечением. Это даст уникальную возможность прозрачно объединять отдельные средства анализа и даже исследователей, удаленных друг от друга, в единый организм, способный работать с данными на качественно новом уровне, не заботясь о низкоуровневых проблемах, сконцентрировавшись на чистых исследовательских задачах. В ближайшие годы наука обязательно увидит яркие примеры подобных онлайн-коллабораций и одновременных исследований в удаленных научных институтах.
Данная краткая ретроспектива новейших исследований с применением Виртуальной Обсерватории свидетельствует о ее готовности к более широкому использованию. В ближайшее время должны появиться работы, эксплуатирующие УО па качественно более сложном уровне, с применением более утонченных и общих моделей данных и технологических достижений.
Памятуя о зрелости УО, мы решили предпринять целую серию исследований в контексте современных достижений Обсерватории.
Введение
9
Общая характеристика работы
Традиционная парадигма открытий астрономических объектов подразумевает изобретение, создание и использование новых телескопов и наблюдательных методов. Виртуальная Обсерватория (Virtual Observatory, VO) позволяет видоизменить эту парадигму, поскольку для новых открытий используются существующие данные из архивов и каталогов. Настоящая работа посвящена нескольким направлениям галактических и внегалактических исследований, объединенных общим принципом извлечения данных для научных исследований из Виртуальной Обсерватории.
В текущем состоянии галактической астрономии известно лишь около 2% галактических рассеянных звездных скоплений от их общего ожидаемого числа. Информация о них накапливалась десятилетиями и даже столетиями в результате усилий множества исследователей. Существующий набор информации о галактических рассеянных звездных скоплениях обладает по этой причине в высшей степени неоднородными свойствами и, следовательно, малопригоден для систематического анализа. В данной диссертации впервые предлагается однородный метод поиска и единообразного определения основных физических параметров рассеянных скоплений. Его применение к участку 16° х 16° небесной сферы из обзора 2MASS позволило утроить количество достоверной информации о звездных скоплениях в этой области. Кроме того, данный метод лег в основу Каталога рассеянных скоплений ГА-ИШ, в который на момент написания данной диссертации входит 183 новых рассеянных скопления, открытых по данным обзора 2MASS.
В области внегалактических исследований важную методическую роль играет возможность сравнения фотометрической информации разных выборок галактик. Из-за эффектов красного смещения, разница звездных величин двух идентичных галактик, удаленных на разные расстояния от наблюдателя, не соответствует только разнице расстояний. Проблема отнесения фотометрических измерений к единой лабораторной системе решается с помощью к-поправок, но существовавшие до настоящего времени способы их вычисления либо обладают существенными ошибками, либо требуют избыточной информации о каждой конкретной галактике, что вызывает зачастую непре-
Введение
10
одолимые сложности. В результате анализа большой однородной выборки близких галактик из обзоров SDSS и UKIDSS, предпринятого в рамках данной работы, оказалось возможным предложить простую аналитическую аппроксимацию для вычисления &-поправок, которая, вне всякого сомнения,
в силу своей простоты и точности будет востребована во многих будущих
/
внегалактических исследованиях. С помощью полученных результатов произведено исследование оптических и ИК цветов близких галактик на большой выборке объектов, что позволило провести предварительную интерпретацию в рамках современных моделей звездного населения и указать на недостатки этих моделей.
Отождествление рентгеновских двойных систем в оптическом и И К диапазонах представляет собой работу большой важности, поскольку в силу естественных причин координаты многих подобных объектов известны с невысокой степенью точности, что затрудняет их дальнейшие исследования. Между тем обнаружение их оптических двойников не только открывает новые возможности для изучения (с помощью, например, спектральных исследований) малочисленных популяций рентгеновских двойных, но и несет в себе информацию об их оптической светимости, которая может быть использована для уточнения моделей генерации оптического излучения в аккреционных дисках, равно как и для наложения физических ограничений на конфигурации двойных систем и эволюционные процессы, протекающие в них. В традиционном подходе к данной задаче требуются значительные наблюдательные усилия для отождествления каждого объекта. Однако анализ архивных данных, использование современных фотометрических обзоров плоскости Галактики (например, IPHAS) и методов Виртуальной Обсерватории зачастую позволяют избежать необходимости в проведении новых наблюдений и выполнить отождествление только лишь на основе повторного использования уже существующих данных. В результате применения этого подхода в оптическом/ИК диапазонах было отождествлено несколько рентгеновских двойных систем из плоскости и балджа Галактики. В отдельных случаях объекты обладали большими (порядка 1 arernin) позиционными неопределенностями, что означает существование сотен и тысяч возможных кандидатов в современных обзорах неба.
Введение
11
В результате исследований, выполненных автором за период с 2005 г. но 2009 г., разработаны несколько оригинальных методик извлечения научно значимой информации из существующих публичных обзоров звездного неба и наблюдательных архивов: (1) уникальная методика поиска рассеянных звездных скоплений и однородного определения параметров уже известных объектов; (2) методика оптического отождествления рентгеновских объектов в плоскости Галактики с водородными аккреционными дисками. Кроме того, в результате исследований на основе архивных данных были выполнены отождествления в оптическом/ИК диапазонах нескольких рентгеновских двойных систем, в том числе объектов из малоизученной популяции компактных маломассивных рентгеновских двойных, и предложена аналитическая аппроксимация зависимости к-поправок от красного смещения и цвета галактики, имеющая важное практическое значение в области внегалактической астрономии.
Актуальность темы
В настоящее время в астрономии существует несколько крупных обзоров звездного неба, содержащих фотометрические и спектральные измерения десятков и сотен миллионов объектов. Несмотря на повседневное использование каталогов научным сообществом, их потенциал далек от раскрытия. В данной работе предлагается сразу несколько исследований, ведущих к заметным научным результатам, целиком и полностью основанных на использовании публично доступных данных. Исследование и поиск галактических рассеянных звездных скоплений далек от завершения но причине драматической неполноты существующих каталогов скоплений и отсутствия однородного автоматического средства для их поиска, предложенного и протестированного в данной работе. Исследование и интерпретация ИК цветов близких галактик является одной из важнейших задач современной наблюдательной космологии в связи с вводом в эксплуатацию полых телескопов для крупных фотометрических обзоров, таких как VISTA и VST. Однако до текущего момента не существовало надежных способов приведения звездных величии и цветов галактик в единую систему отсчета, то есть учета так называемых /с-поправок,
- Київ+380960830922