Оглавление
Введение 3
1 Исследование радиогалактик 13
1.1 Введение.............................................. 13
1.2 Каталог............................................... 16
1.2.1 Селекция объектов.................................... 16
1.2.2 Описание каталога.................................... 17
1.2.3 Статистический анализ выборки........................ 18
1.3 Оценка масс центральных черных дыр выборки радиогалактик с 2 > 0.3 33
1.3.1 Оценка масс СМЧД. Оптический диапазон................ 33
1.3.2 Оценка масс СМЧД. Радиодиапазон...................... 35
1.3.3 Обсуждение........................................... 35
1.4 Выводы................................................ 42
2 Гигантские радиогалактики 44
2.1 Введение.............................................. 44
2.2 Наблюдение гигантских радиогалактик на РАТАН-600 ... 46
2.2.1 Обработка............................................ 46
2.2.2 Спектры.............................................. 50
2.3 Обсуждение результатов................................ 50
3 Корреляционные свойства далеких радиогалактик и СМВ 59
3.1 Введение.............................................. 59
4
1
3.2 Статистика сигнала \VMAP 1ЬС в направлении далеких радиогалактик . .................................................. 64
3.2.1 Гистограммы сигнала в пикселах СМВ.............. 65
3.2.2 Оценка диполя................................... 68
3.2.3 Результаты...................................... 69
3.3 Метод картографирования .................................. 70
3.3.1 Корреляция числа радиоисточников и поведение СМВ
на больших угловых масштабах.................... 72
3.3.2 Приложение метода I. Корреляция реликтового излучения и фоновых компонент 86
3.3.3 Приложение метода II. Корреляция реликтового излучения и положения гамма-всплесков 97
3.4 Выводы..................................................... 109
Заключение 112
2
Введение
Общая характеристика работы
Диссертация посвящена исследованию популяции далеких радиогалактик (РГ) (z > 0.3). Вместе с тем, в работе представлен и аппробирован метод корреляционного картографирования на сфере.
Исследование радиогалактик - это одно из основных направлений в области радиоастрономии, дающих вклад в наблюдательную радиокосмологию. Радиогалактики являются чрезвычайно важными объектами для исследования в астрофизике и космологии. Об этом говорит всевозрастающий интерес к изучению этих объектов во всех диапазонах воли, наблюдаемый в последнее время. Радиогалактики являются на настоящий момент самыми далекими объектами радио-Вселенной. Они имеют большие красные смещения 2 и наблюдаются практически в эпоху их формирования, поэтому могут использоваться для зондирования эпохи образования галактик, их слияния, формирования протоскоплений и скоплений. Отождествление РГ с гигантскими эллиптическими галактиками (gE), сформированными в результате мержинга (слияния галактик) в раннюю эпоху, позволяет использовать их не только для зондирования формирования крупномасштабной структуры, но и для проверки моделей звездообразования. Если построить полное распределение РГ в зависимости от z. можно исследовать не только их функцию светимости, но также исследовать проблему формирования еверхмассивных черных дыр в центре галактик и динамику расширения Вселенной. Кроме того, РГ как протяженные объекты могут вносить искажение в микроволновый фон, что может привести к появлению байеса (смещения в оценке) при оценке углового спектра мощности СМВ (Cosmic Microwave Background - космический микроволновый фон) [1, 2].
Мощные РГ связаны с галактиками высокой светимости, и пока нет единства в понимании путей формирования таких галактик. Однако, большое количество наблюдательного материала свидетельствует о том, что взаимодействие и слияние галактик является широко распространенным
3
явлением на больших красных смещениях, а также, что эти процессы влияют на популяцию эллиптических галактик в Локальной Вселенной. Такие факты поддерживают сценарий “иерархического” образования эллиптических галактик, в котором более крупные сфероиды образуются относительно поздно при слиянии галактик поздних типов сравнимой массы. Такой сценарий образования галакик “снизу-доверху” ожидается естественным образом в процессе образования структур в космологии с доминированием холодной темной материи (СБМ).
Отметим, что фотометрические оценки характеристик для гигантских эллиптических галактик могут быть использованы для ряда космологических тестов, таких, например, как хаббловская диаграмма “звездная величина — красное смещение” [3], или диаграмма “возраст — ?? [4].
Имеется также набор тестов, позволяющих оценить параметры и эволюционные характеристики Вселенной на основе радиоданных (см. например, [5]-[7]. Для проведения тестов нужен, конечно, полный список всех существующих объектов, который, к сожалению, вряд ли будет когда-либо получен. Сейчас на малых красных смещениях мы наблюдаем все объекты, тогда как на больших собираем только самые яркие. Однако, имея даже только такие данные, можно всегда сделать оценку по максимальным значениям измеряемых параметров.
Как известно, все РГ обладают радиоизлучением различной мощности. В радиоастрономии принято считать радиогалактиками объекты предельно высокой радиосветимости (до 10'18 эрг/с), и это их свойство позволяет проводить изучение таких источников на больших красных смещениях. Они относятся к категории объектов с самым мощным выделением энергии, обнаружение которых привело к необходимости создания нестандартных теорий их активности. Именно обнаружение РГ привело к необходимости привлечения гипотезы о существовании сверхмассивных черных дыр. Другим важным свойством мощных РГ является возможность их исследования на любых расстояниях во Вселенной. Они широко используются как “пробные частицы” для исследования физических условий и динамики Вселенной.
Термин “радиогалактики” был введен в 1949 г. после отождествления далеких галактик с мощными источниками космического радиоизлучения. Но так как практически все галактики излучают в радиодиапазоне, то выделение РГ в особый класс условно. Квазары также являются радиоисточниками, представляют собой звездные системы и поэтому могут называться радиогалактиками. Так как РГ и квазары очень похожи по многим па-
4
раметрам, то по радиоизображениям практически невозможно сказать, к какому из двух классов объектов принадлежит источник. Тем не менее, существуют модели, поясняющие разницу свойств этих объектов их ориентацией и проекцией на луч зрения. В результате, определение квазаров в первую очередь связывается с их размерами или, точнее говоря, “точечно-стью” в оптическом диапазоне.
В отличие от квазаров, в радиогалактиках можно детально исследовать звездное население. Как правило, в оптическом и ближнем инфракрасном (ИК) диапазоне при красных смещениях 2 < 1 — 1.5 доминирует спектр звезд, а не газа, и можно пробовать использовать методы звездной эволюции и эволюции синтетических цветов звездного населения для определения “цветовых” красных смещений и даже возраста звездного населения.
Кроме галактик, РГ и квазаров, далекими также являются источники гамма-всплесков. Именно исследование послесвечений позволило ответить, по крайней мере, для длинных гамма-всплесков, на важнейший вопрос о шкале расстояний. Однако, на данный момент подобных объектов с известными красными смещениями обнаружено всего около двухсот.
В работе представлен каталог далеких РГ (г > 0.3), проведен его первичный статистический анализ, оценены массы сверхмассивных черных дыр в центрах галактик. С помощью представленного метода корреляций на полной сфере проверен вклад РГ в наблюдаемое космическое излучение. Для тринадцати гигантских радиогалактик (ГРГ) из составленного каталога проведены наблюдения на РАТАН-600 и оценен интегральный вклад в фоновое излучение.
Актуальность темы
Радиогалактики, являясь одними из самых мощных наблюдаемых космических объектов, дают возможность исследовать эволюцию вещества и динамику расширения Вселенной в различные космологические эпохи.
С исследованием этих радиоисточников связано несколько космологических тестов, позволяющих оценить параметры и эволюционные характеристики Вселенной. Радиогалактики отождествляются с гигантскими эллиптическими галактиками ^Е) с абсолютной звездной величиой М ~ —26 и имеют в качестве центральной энергетической машины черные дыры массой ~ 109Мо. Эти факты позволяют использовать их как инструмент исследования параметров распределения видимой и темной материи, ди-
5
намики Вселенной и истории образования структур.
Яркая особенность РГ состоит в том, мы их наблюдаем практически с момента образования, т.е. мощность радиоисточника такова, что в современных радиообзорах они уже зарегистрированы [7]. Тогда такие объекты являются хорошим зондом для исследований формирования скоплений галактик.
Кроме того, радиогалактики, являясь протяженными объектами, могут вносить искажение в микроволновый фон, что может быть проверено корреляционными методами. Например, с помощью корреляции СМВ и радиоизлучения объектов исследуется как вклад радиоисточпиков в общий фон (8, 7], так и корреляционные свойства распределения радиоисточпиков и СМВ, проявляющиеся на больших масштабах (0 > 2°), такие как эффект Сакса-Вольфа1. [9], и на малых масштабах (в основном, 0 < 4'), [10] такие как эффект Зельдовича-Сюняева2 (ЗС). Корреляции ИК и оптических обзоров (особенно с известными красными смещениями) с данными СМВ позволяют изучить формирование крупномасштабной структуры.
Другим важным направлением приложения корреляционных методов является исследование качества карт микроволнового фона и уровня их очистки от других типов излучения. Так, наличие корреляции СМВ и фоновых компонент [12, 13], вносимых Галактикой, говорит об оставшемся вкладе мешающего излучения в процедуре разделения компонент. Кроме того, присутствие коррелированных компонент в ряде диапазонов мультиполей приводит к изменению статистики сигнала СМВ, проявляющейся как нсгауссовость [11]. .Это, в свою очередь, осложняет анализ карт исследуемого сигнала и его спектра мощности. Корреляционная методика в исследовании негауссовости позволяет выделить негауссовость определенного вида, например, обусловленную систематикой при анализе данных.
Расширение Вселенной приводит к ослаблению гравитационного потенциала. Тогда фотоны реликтового излучения, проходя через области с ослабевающим потенциалом, сначала испытывают синее смещение, а при вылете из потенциального колодца испытывают красное смещение. И если потециал меняется со временем (космологическое расширение или формирование крупномасштабной структуры), то разность энергии фотона отражается в флуктуациях фона и проявляется в корреляции между анизотропией реликтового излучения и распределением материк
^Разогретый газ (собственно, горячие электроны) в скоплениях галактик рассеивает космическое микроволновое фоновое излучение (обратный эффект Комптона) и искажает фоновый спектр. Из-за этого число квантов, приходящих со стороны скопления в сантиметровом и миллиметровом диапазонах уменьшается, что проявляется в понижении температуры реликтового излучения.
6
Цели работы
• Построение каталога далеких РГ для проведения космологических тестов и определение их параметров.
• Исследование статистических свойств популяции РГ как класса объектов.
• Получение и исследование радиоспектров ГРГ по данным наблюдений на РАТАН-600, оценка вклада ГРГ в микроволновое излучение.
• Исследование корреляционных свойств положения РГ на сфере и особенностей распределения микроволнового фона.
Научная новизна работы
• Построен каталог далеких РГ. Впервые определена форма зависимости “спектральный индекс — красное смещение” для большой выборки далеких РГ (до z ~ Ь). Для этой популяции проанализированы статистические свойства в параметрическом пространстве красных смещений, спектральных индексов, плотности радиопотока, звездных величин, светимости, массы центральных черных дыр и установлены соответствующие регрессионные зависимости.
• Получены новые наблюдательные данные тринадцати ГРГ. В результате построены их непрерывные радиоспектры от дециметрового до сантиметрогово диапазона длин волн. Сделаны оценки величины потока в миллиметровом диапазоне. Показана важность изучения подобных объктов в связи с возможным их влиянием на анизотропию реликтового излучения, особенно на масштабах скоплений галактик.
• Предложен метод картографирования корреляций различных компонент излучения, в том числе и радиоисточников, на полной сфере, позволяющий проверять качество восстанавливаемых карт, их негаус-совость и проводить исследования в разных диапазонах длин волн.
• Показано, что при чистке данных WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) методом ILC (Internal Linear Combination — внутренняя линейная комбинация) пылевая компонента дает сильную антикорреляцию выделяемому СМВ, проявляющуюся как в распределении корреляционных коэффициентов, так И В угловом спектре М01ЦН0-
7
сти. Распределение корреляционных коэффициентов позволяет говорить о том, что эклиптическая и экваториальная система координат выделена в этом сигнале.
• В карте корреляций положений коротких гамма-всплесков из разных каталогов, а также их корреляций с СМВ, обнаружены признаки выделенных систем координат: экваториальной и эклиптической, выражающиеся в положении полюсов. Также обнаружена корреляции положения длинных событий BATSE и флуктуаций СМВ, выделяющая экваториальную систему координат.
Практическая ценность
• Каталог РГ может использоваться для построения космологических тестов. Кроме космологических исследований, каталог позволяет детально проводить статистическое изучение списков отождествлений и соответствующих популяций объектов в различных диапазонах длин волн [14]-[17], поиск и изучение свойств подвыборок РГ [2],[18]-[21], моделирование радиоастрономических обзоров на РАТАН 600 [22|-[24].
• Метод картографирования корреляций позволяет исследовать на сфере свойства случайного сигнала СМВ, имеющего единственную реализацию, основываясь только на его статистических свойствах, а именно эргодичности, когда по множеству реализаций реликтового излучения в разных областях сферы, можно сделать вывод о его реализации во множестве подобных Вселенных, и тем самым оценить его вероятные значения. Метод может быть применен, в частности, для исследования мозаичных карт корреляций в области эклиптической и экваториальной плоскостей данных миссии Planck.
Апробация результатов работы
Результаты работы докладывались автором на научных семинарах САО РАН, институте имени Макса Планка (Германия, Бонн), обсерватории ARIES (Индия, Наиниталь), а также были представлены на следующих российских и международных конференциях:
1. Хабибуллина M.JL, Верходанов О.В., Парийский Ю.Н. Свойства карт WMAP на сечениях RZF-обзора. Международная конференция “Са-
8
харовские Осцилляции и Радиоастрономия”, 15-19 окт., 2007, Нижний Архыз, ОАО РАН.
2. Верходаиов О.В., Хабибуллина МЛ., Сингх М., Пирия Акаш, Верхо-данова Н.В. Гигантские радиогалактики. Атлас. XXV конференция “Актуальные проблемы внегалактической астрономии”, 2008. Пущино.
3. Хабибуллина М.Л., Верходанов О.В., Парийский Ю.Н. Исследование одномерных сечений карт WMAP и NVSS. XXV конференция “Актуальные проблемы внегалактической астрономии”, 2008, Пущино.
4. Khabibullina M.L. Properties of WMAP cross-sections in the field of the RATAN-600 survey. Young European Radio Astronomers Conference (YERAC 2008), Sweden, Geteborg.
5. Khabibullina M.L., Verkhodanov O.V., Parijskij Yu.N. Properties of WMAP cross-sections in the field of the RATAN-600 survey. Proc. Internat. Conf. “Problems of Practical Cosmology”, 23-27 June 2008. St. Petersburg.
6. Verkhodanov O.V., Khabibullina M.L., Singh М., Pirya A., Verkhodanova N.V., Nandi S. Giant radio galaxies: problems of understanding and problems for CMD. Proc. Internat. Conf. “roblems of Practical Cosmology”, 23-27 June 2008, St.Petersburg.
7. Khabibullina M.L. .2009. Catalog of radiogalaxies with z > 0.3. Young European Radio Astronomers Conference (YERAC 2009), Portugal, Porto.
8. Verkhodanov ()., Sokolov V., Khabibullina M. On the positional correlation of gamma-ray bursts and CM В peaks. “Many faces of GRB phenomena - optics vs high energy”, 2009, SAO, Russia,
9. Хабибуллина M.JI., Верходанов О.В. Каталог радиогалактик с z > 0.3. XXVI конференция “Актуальные проблемы внегалактической астрономии”, 21-23 апреля, 2009, Пущино.
10. Верходанов О.В., Хабибуллина М.Л., Майорова Е.К., Парийский Ю.Н. Мозаичное корреляционное картографирование излучения на, сфере. XXVI конференция “Актуальные проблемы внегалактической астрономии”, 21-23 апреля, 2009, Пущино.
И. Верходанов О.В., Хабибуллина М.Л., Дорошкевич А.Г., Насельский П.Д. О выделении эклиптической системы координат в данных
9
WMA P. XXVI конференция "Актуальные проблемы внегалактической астрономии”, 21-23 апреля, 2009, Пущино.
12. Верходанов О.В., Хабибуллина M.JL, Найден Я.В., Дорошкевич А.Г. О выделенных направлениях в картах WMAP. Конф. “От эпохи Га-лиллея до наших дней”, 12-19 септ., 2010 Нижний Архыз.
13. Хабибуллина М.Л., Верходанов О.В., Майорова Е.К. Новый корреляционный метод исследования карт СМВ. Конф. “От эпохи Галиллея до наших дней”, 12-19 сент., 2010, Нижний Архыз.
14. Хабибуллина М.Л., Верходанов О.В., Сингх М., Пирия А., Нанди С., Верходанова Н.В. Радиоспектры гигантских радиогалактик по данным РЛТЛН-600. Конф. “От эпохи Галиллея до наших дней”, 12-19 сент., 2010, Нижний Архыз.
15. Хабибуллина М.Л., Верходанов О.В. Каталог радиогалактик с z>0.3. Конф. “От эпохи Галиллея до наших дней”, 12-19 сент., 2010, Нижний Архыз.
Публикации и личный вклад автора
Основные результаты диссертации изложены в 14 работах. Автор равноправно участвовал во всех обсуждениях и постановках задачи и методов их решения. В перечисленных работах автору принадлежат:
• В работах [1,2,4,10] - тестирование метода мозаичного картографирования и анализ карт с его помощью.
• В работах [3,5-7] - селекция объектов по заданным критериям и построение каталога далеких РГ, проведение статистического анализа данных.
• В работе [8] - обработка и анализ данных, полученных на РАТАН-600.
• [11] - оценка светимости и масс центральных черных дыр.
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Она содержит 133 страницы, 65 рисунков, 14 таблиц. Список литературы насчитывает 247 наименований.
10
- Київ+380960830922