Методы анализа крупномасштабной структуры Вселенной по результатам глубоких обзоров на 6-метровом телескопе тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СПЕЦИАЛЬНАЯ АСТРОФИЗИЧЕСКАЯ ОБСЕРВАТОРИЯ

На правах рукописи УДК 524. 74:520. 88

В Л А С Ю К ВАЛЕРИЙ ВАЛЕНТИНОВИЧ

методы Анализа крупномасштабной структуры

вселенной по результатам глубоких обзоров на 6—ааетровом1 телескопе

Специальность : 01. 03. 02 - астрофизика,радиоастрономия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико - математических наук

Нижний Архыз - 1992

Работа выполнена в Специальной астрофизическбй обсерватории Российской Академии наук.

Научный руководитель - доктор физико-математических наук

В.Л.Афанасьев

Официальные оппоненты -

- доктор физико-математических наук

Б.В.Комберг,

- кандидат физико-математических кауг.

Дж.А.Степанян.

Ведущая организация - Государственный астрономический институт им. Штернберга МГУ.

Защита состоится .. т^г... 1992 г. в У. <9час.

на заседании специализированного совета Д 003.35.01 по присуждению ученой степени доктора физико-математических наук при Специальной астрофизической обсерватории Российской Академии наук по адресу :

196140, г. Санкт-Петербург, Пулково, Лф CAO РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Специальной астрофизической обсерватории РАН.

Автореферат разослан " А/. ... ^Х^-Н'г.СгС. 1992 г.

Ученый секретарь Л/а-'М^ Е-''•Майорова

специализированного совета кандидат физико-математических наук

.' Совершенствование наблюдательной базы современной астрофизики- <в' последнее десятилетие привело к беспрецеидентному росту количества данных сб окружающем нас мире, о структуре Вселенной в целом. Среди областей астрофизики, переживающих в настоящее время возрестаюиее внимание со стороны исследователей, находится и наблюдательная космология.

Целью космологии как науки о происхождении и развитии Вселенной является объяснение причин возникновения Вселенной, изучение законов ее развития как целого, возникновения и развития наблюдаемой структуры Вселенной, в частности крупномасштабного распределения вещества в ней. Несмотря на громадное количество данных, полученных из наблюдений, далеко не все может считаться надежно установленным. Не имеет альтернативы, пожалуй, лишь теория "большого взрыва", надежно подтвержденная наблюдениями реликтового излучения. Как писр.л Я.Б.Зельдович, эта теория " столь же надежно установлена и верна, сколь верно то, что Ззмля вращается вокруг Солнца'Ч 1986).Что касается других вопросов космологии, то имеющиеся данные не позвочяют сделать узереннсго выбора в пользу той или иной модели.

К примеру, уже в 1961 году А.Сэндейдж указал на набор критических экспериментов, позволяющих определить параметры модели Вселенной. Но и 30 лет спустя, результаты наблюдений демонстрируют, что все ешэ невозможно с достаточной точностью измерить эти параметры ( исключая лишь постоянную Хаббл;;, в отношении которой тоже не"' единого мнения) . Причина же заключается в том, что пока невозможен корректный учет всех факторов, блияющих на точность определения параметров, поправки за красное смещение и зволкщии светимости источни-

ков, принимаемых за опорные( Тинсли, 1980; Брузуал,1983; Брузуал и Крон,1980; Иошии, Такахара,1988; Фукуджита и др,1990). Фотометрические исследования десятков - тысяч предельно слабых галактик, выполненные в последние годы во всем диапазоне оптического излучения с помощью твердотельных светоприемников (Тайсон, 1988; Гухафакурта и др.,1990; Меткалф и др.,1991), дают надежду на некоторый прогресс в этом вопросе.

Крупномасштабное распределение вещества во Всоленной, проявляющееся в виде неоднородностей наблюдаемого распределения галактик также содержит информацию о нашем прошлом ( Ф.Дж.Э.Пиблс,1383). Однако малый объем информации о красных смещениях галактик до начала 80-х годов не позволял непосредственно определить пространственую структуру распределения. Результаты, полученные в ходе обзора красных смещений галактик исследователями из С£А( де Лаппарент и др, 1986), указывают на то, что галактики, по крайней мере наиболее яркие { полнота обзора 1^=15.5), образуют ячеистую структуру с пустотами размером (20-30)-1Г1 Мпс ( Нц-ЮО-Ь км/(сМпс)). Похожая структура была обнаружена и в обзора красных смещений Н1-галактик (Хайнс и Джиованелли, 1986). Четко проявляется неоднородность распределения галактик по лучу зрения и в данных, полученных из глубоких проколов Всельнной (Броудхерст и др.,1988; Коллесс и др.,1990; Куу и Крон,1987).

Тем не менее, несмотря на значительность обзора аА по протяженности, он не может претендовать на полноту описания крупномасштабной структуры Вселенной, так как глубина этого обзора - около 100"Ь-1 Мпс - сопоставима с размерами обнаруженных пустот. Кроме того, остается открытым и вопрос о том, насколько распределение ярких галактик совпадает с распреде-

пением вещества в целом, в частности с распределением слабых галактик. Поэтому для уверенного определения параметров крупномасштабного скучивания вещества необходимо проведение как более глубоких по сравнению с С£Я, так и более протяженных по сравнению с проколами обзоров. Спектральное исследование галактик слабее Шц-19-20 позволит не только уточнить параметры ячеистой структуры, но и определить, как распределены в ней галактики различной светимости и морфологических типов.

В последнее время получены данные, свидетельствующие как о нэоднородностях распределения квазаров, имеющих характерный размер 10-Ь-1 Ипс ( Иовино и др,1991), так и о неоднороднос-тях распределения абсорбционных систем в спектрах квазаров, т.е. несамосветящегося вэщества( Но и др.,1991).

Для решения этой задачи, как показывают оценки, необходимо провести спектральное исследование полной выборки галактик в поле площадью около 1 кв. градуса, имеющих видимые звездные величины не слабее 22-23т в полосе В. Ожидаемое число галактик в выборке - около 2000. Если фотометрическое исследование таксй выборки возможно на телескопах с размером зеркала около 1 метра, то спектральное исследование такого количества галактик можно выполнить за разумное время только на крупнейших телескопах с использованием методов мульти-обьектной спектроскопии.

Рэализованный на 6-метровок телескопе метод мультиобъект-ной волоконной спектроскопии наилучшим образом подходит для реализации данной задачи, позволяя одновременное исследование слабых обьектов в полном поле телескопа (около 15 угл. минут). В 1990 году было начато исследование поля размером в 1 ка. градус в области 91>40ш +50°. фотометрические данные для

объектов поля ярче Шц"21 были получены на 1-метровом телескопе "Цейсс-1000" ИФ АН Литвы (г. Майданак). Спектральные наблюдения объектов этой выборки начаты □ декабре 1990 года на 6-метровом телескопе.

Обработка полученного наблюдательного материала выполнена с помощью математического обеспечения, специально разработанного для решения поставленной задачи.

Цель работы. Настоящая работа носит наблюдательный и методический характер. Она включает в себя разработку наблюдательной аппаратуры для наблюдений слабых объектов, создание специализированного математического обеспечения для обработки данных фотометрических и спектральных исследований, получение наблюдательного материала и его анализ.

Актуальность работы. Актуальность поставленной задачи определяется возрастающим интересом к данном о крупномасштабном распределении вещества во Вселенной, являющимся ключом к решению важнейших задач космологии.

Научная новизна. Впервые в стране реализован метод мультиобъектной волоконной спектроскопии, позволяющий производить одновременное спектральное исследование всех объектов, попадающих в поле телескопа. Разработана система обработки фотометрических данных для персональной ЗВМ, с помощью которой произведена фотометрия всех объектов площадки ярче В-21ш. Созданное математическое обеспеченно позволило произвести обработку около 750 спектров. Получены данные о пространственном распределении галактик по лучу зрения.

Практическая ценность. Разработанная методика наблюдений с мультиобъектным волоконным спектрографом позволяет в настоящее время производить одновременные наблюдения большого количества объектов в поле 6-метрового телескопа, что значительно повышает эффективность использования телескопа при проведении обзорных и поисковых работ. Она допускает к использование телескопов меньшего размера.

С помощью математического обеспечения, разработанного для обработки наблюдательных данных, можно производить быструю редукцию любых фотометрических данных с использованием современных персональных ЭВМ. Обработка спектральных данных, получаемых на мультизрачковом волоконном спектрографе и на эшелле-спектрометре 6-метрового телескопа, во многом базируется на алгоритмах и программах, разработанных для решения дисертационных задач.

Апробация работы. Результаты, изложенные в работе, докладывались на семинарах и конкурсах научных работ CAO РАН, Всесоюзных школах молодых астрономов(1987,1988) .

Публикация работы. Основное содержание диссертации опубликовано в 7 работах.

Объем диссертации. Диссертация содержит Jb & страниц, включая 4M рисунков и S таблиц. Библиография - ТЛ работц

На зашиту выносятся :

построение стратегии проведения глубокого обзора красных смещений галактик на крупном телескопе;

разработка и реализация метода мультиобъектнэй

волоконной спектроскопии на 6-метрсвом телескопе;

объединение возможностей нескольких телескопов при проведении фотометрического и спектрального обзоров;

- создание алгоритмов и программ обработки наблюдательных данных; результаты фотометрического исследования полной до В-211" выборки объектов и спектрального исследования около 750 из них;

- определение распределения галактик по лучу зрения в исследуемой площадке.

Содержание диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения.

Во введении рассматриваются вопросы, связанные с современным состоянием проблемы крупномасштабного распределения вещества во Вселенной, анализируются данные фотометрических обзоров и исследований лучевых скоростей выборок галактик.

В первой главе излагается стратегия проьедения глубокого обзора на крупном телескопе в применении к возможностям 6-метрового телескопа. На основе наблюдательных данных о поверхностной плотности галактик ярче заданной величины оцениваются площадь площадки обзора и ого глубина, позволяющие получить значимые данные о ячеистой структуре в распределении слабых галактик, обнаруженной в обзоре С£А по данным о лучевых скоростях галактик ярче 1^-15.5. Показано, чтс для изучения крупномасштабной структуры вплоть до расстояний, соответствующих красным смещениям порядка 1, необходимо

б

исследование галактик ярче Пд-23 в площадке размером 1 кв.градус.

Исследуются селекционные эффекты, имеющие место при проведении обзора, установлены требования к качеству получаемых данных. Сделан вывод о практической пригодности для решения поставленной задачи мультиобъектного волоконного спектрографа, разработанного в САО РАН. Производится оценка количества необходимого наблюдательного времени - около 15 ночей для проведения обзора объектов ярче 1^-21 и около 40 ночей для исследования более слабых объектов.

В заключение главы излагается последовательность проведения обзора на 6-метровом и 1-метровом телескопах' РАН, обсуждаются перспективы развития обзора.

Во второй главе диссертации дается описание разработанных для 6-метрового телескопа мультиобъектных волоконных спектрографов : их оптико-механические схемы, методики изготовления масок, требования к. качеству изготовления компонентов и реально достигаемая точность. Рассматриеаются спектрографы, ориентированные на изучение синей и красной частей спектра, оснащенные как телевизионной системой счета фотонов, так и твердотельным приемником - прибором с зарядовой связью (ПЗС). Приводятся для сравнэния характеристики волоконных мультиобъектных спэктрографов, установленных на крупнейших телескопах мкра.

Рабочее поле во всех вариантах наблюдений ограничено только размером применяемых масок и составляет 15 угл.минут. Минимальное расстояние между исследуемыми объектами составляет 40 угл.сек. Диаметр световодов, используемых для передачи света от объектов на вход спектрографа, составляет 200 мкм,

что соответствует 1.8" в фокальчой плоскости 6-метрового телескопа. Точность изготовления отверстий в масках должна быть не хуже 30 мкм{0.25"), что, как показывает опыт, реализуется в действительности. Основные характеристики спектральных вариантов таковы :

а) Синий вариант с телевизионной системой в качестве приемника:

спектральный диапазон -

II порядок гризмы - 5000 - 7000 А

III порядок - 3500 - 5000 А; обратная линейная дисперсия -

*

II порядок гризмы - 4-20 А/эл

*

III порядок - 3-15 А/эл ;

количество одновременно регистрируемых спектров - до 60;

б) Красный вариант с телевизионной системой счета фотонов:

спектральный диапазон - 4500-7500 А; обратная линейная дисперсия - 6 А/эл*;

количество одновременно регистрируемых спектров - до

100;

в) Вариант наблюдений с матрицей ПЗС:

спектральный диапазон - 4000 - 8000 А;

* *

обратная линейная дисперсия - 8 А/эл ;

количество одновременно регистрируемых спектров - до

100.

Размер элемента принят равным 30 мкм.

• »

Размер элемента приемника - 18 мкм.

Время экспозиции, необходимое для регистрации спектра объекта с ™g"21 с отношением сигнал/шум, разным 3, при изображениях около 1.5" составляет около 3 часов при использовании телевизионной счетной системы и 1.5-2 часа при использовании в качестве приемника ПЗС-системы.

В главе излагается концепция создания спектральной аппаратуры нового поколения, отличавшейся от существующей более высоким пропусканием, меньшим уровнем аберраций - и полевых, и хроматических, возможностью оперативной смены наблюдательных вариантов. Приводятся оптические схемы и параметры компонентов для наблюдений в модах - прямых снимков, мультиобъектной волоконной и многощелевой спектроскопии, мультизрачковой растровой спектроскопии. При использовании в качестве камеры шмидтовской с внутренним фокусом £-110 мм и приемника - ПЗС- системы с размерами 10 на 14 мм в модах прямых снимков и многоцелевой спектроскопии реализуется поле с размерами 4 и 6 угл. минут rio двум координатам, а в моде волоконного спектрографа при ICO одновременно регистрируемых спектрах и спектральном диапазоне от 3800 до 10G00 А возможен выбор рабочих дисперсий от 2 до 8 А/эн, где размеры элемента составляют 18 мкм.

В заключение главы обсуждаются возможности развития методики'наблюдений и повышения эффективности использования телескопного времени. Среди них - возможность наблюдений с существующей аппаратурой нг телескопах меньшего размера, внедрение возможности оперативного изготовления масок для спектральных наблюдений непосредственно после получения фотометрических данных для исследуемых полей.

Третья глава диссертации посвящена описанию программного

обеспечения, разработанного автором для обработки фотометрических данных на персональной ЭВМ и его применения при обработке снимков поля 9Ь40т +50°. Излагаются методы, на которых основывается процедура проведения фона на снимках, на модельных данных демонстрируется точность этой процедуры. Описывается алгоритм построения непараметрической оценки для характеристической кривой фотоэмульсии. Дается описание метода выделения слабых объектов на фоне шумов, основанного на построении согласованного двумерного Фильтра (Прэтт, 1982, с.575). Производится сравнение работы автоматического алгоритма выделения объектов с результатами интерактивной обработки данных, на основе которого делается заключение о возможности исключения фактора субъективности, присущего человеку, из процедуры выделения слабых объектов. Показано, что предел при обнаружении слабых галактик на 0.3-0.5™ ниже аналогичного предела для звездообразных объектов. Подробно анализируются все этапы определения фотометрических параметров исследуемых объектов.

Рассматриваются вопросы выполнения астрометрической и фотометрической привязок полученных результатов. Полученная астрометрическая точность координат исследуемых объектов - не хуже 0.2", ошибки фотометрии составляют около 0.1т для объектов ярче ^-19 и О.15-0.2т для более слабых.

В главе также исследуется проблема морфологической классификации объектов на протяженные и звездообразные. В качестве параметров разделения принимаются : параметр протяженности Крона!1980) г_2 и взвешенная оценка малой оси эллипса, вписанного в изображение объекта на различных уровнях над фоном. Показано, что эти параметры обладают близкими свойствами : достоверность разделения составляет

около 95Х для объектов ярче предельно слабы:: ( в исследуемой выборке - около 22т) более чем на 2.5т и около 70 У. для объектов, близких к пределу снимка.

В четвертой главе диссертации основное внимание уделяется анализу спектральных данных : методике изготовления масок и проведения наблюдений с мультиобъектным волоконным спектрографом, проблемам редукции результатов наблюдений, которые связаны с особенностями используемых приемников, как телевизионных, так и твердотельных. Описываются: методика учета нестабильностей телевизионных систем, процедура удаления следов космических частиц из накоплений, полученных с помощью системы ПЗС. Последующая обработка спектральных данных заключается в определении параметров геометрических искажений исследуемого накопления, интегрировании искривленных спектров в соответствии с этими данными, приведении спектров в равномерную шкалу длин волн, коррекции индивидуальных спектров за различное пропускание отдельных световодов, вычитании спектра ночного неба, определении и учете спектральной чувствительности аппаратуры.

Наряду с иллюстрацией применения процедур обработки к спектрам объектов различного типа производится и оценка их точностных характеристик. Так, ошибка приведения спектров к равномерной шкале длин волн, в среднем, не превосходит 1.5 А

я-

для спектров, полученных с обратной линейной дисперсией около 8 А/зл, а точность калибровки пропускания отдельных световодов, как правило, не хуже 57.. В главе описывается методика определения лучевых скоростей галактик, основанная на принципах, изложенных в работе Тонри и Дэвиса (1979). Точность определения лучевых скоростей по данным, полученным

с помощью мультиобьектного волоконного спзктрографа, не хуже 300 км/сек.

Пятая глава посвящена анализу предварительных результатов исследования распределения галактик в поле 9^40т +50°. Анализируются свойства полученной выборки объектов, на основании чего делается заключение о полноте этой выборки как по звездообразным, так и по протяженным объектам, до 1^-21. Фотометрические данные полной до Ид-21 выборки объектов дали возможность начать в 1990 году спектральные исследования. Так как исследуются и звездообразные, и протяженные объекты, то спектральные данные, дают информацию и о других внегалактических объектах, в частности о квазарах и компактных галактиках, не отличимых на прямых снимках от звезд. В главе анализируется возможность использования полученных данных для проведения классических космологических тестов и делается вывод о необходимости получения дополнительной фотометрической информации. Рассматриваются вопросы предварительной автоматический классификации спектральных данных. Приводится распределение числа галактик по лучевым скоростям, полученное из анализа спектральных наблиденнчй.

В заключении подводится краткий итог проделанной работе и перечислены основные результаты, полученные в диссертации.

В приложении к диссертации приводятся фотометрический список полной выборки объектов поля Э^вО10 +50° и данные С!1'.'1;траЛоНЫХ наблюдений.

Основные результаты, изложенные в диссертационной работе, опубликованы в научных статьях :

1.Афанасьев В.Л., Власюк В.В., Додонов С.Н., Лоренц X., Геребии В.Ю. - Спектральное и фотометрическое исследование объектов в избранных полях на В-м телескопе , Астрофиз. исслед. ( Изв. CAO), 1990, 32, стр.31-65.

2.Афанасьев В.Л., Власюк В.В., Додонов С.II-, Лоренц X., Теребиж В.Ю. - Выборки квазаров в избранных площадках неба, Астрофиз. исслед. ( Изв. CAO), 1990, 32, стр.66-72.

3.Афанасьев В.Л., Власюк В.В., Дсдонов С.Н., Спиридонова

О.И., Рихтер Г., Новиков С.Б., Бугаенко О.И., Шокин Ю.А.,

' m

Шульга В.В. - Фотометрическое исследование полной до В-21 выборки объектов в поле 9*140т +50°, Астрофиз. исслед. { Изв. CAO), 1990, 32, стр. 73-105.

4.Афанасьев В.Л., Власюк В.В., Додонов С.Н.,Драбек С.В.-Мультиобъектный волоконный спектрограф 6-м телескопа,

препринт CAO N 83 , 1992.

5.Власюк В.В. - Математичегкое обеспечение для обработки

спектральных данных, получаемых на панорамных приемниках 6-м т.элескопа, препринт CAO N 83 , 1992.

6.Afanasiev V.L., Dodonov S.N., Vlasiuk V.V., Borisenko A.N., Markelov S.V., Rjadchenko V.P.- Low-resolution spectral observations using a virtual phase CCD system, preprint SAO, N76, 3 992'." ~ »

7.Елас»к B.B. - Построение и анализ полной фотометрической выборки объектов I.Методика обработки фотометрических данных, препринт CAO N Z4 , 1992.

Литература

Бродхерст и др.(Broadhurst Т.J.,Ellis R.S..Shanks Т.) -The Durham/Anglo-Australian Telescope faint galaxy redshift survey, Mon.Not.of the R.A.S.,1988, 235,827-854. Брузуал (Bruzual G.A.)- Spectral evolution of galaxies. III. Cosmological predictions for the Space Telescope Faint object Camera, Astrophys.J.Suppl.Ser.,1983, 53,497-521. Брузуал и Крон (Bruzual G.A., Kron R.G.) - on the interpretation of colors of faint galaxies, Astrophys.J., 1980, 241, 25-40.

Гухафакурта и др.(Guhaphakurta p., Tyson J.A..Majewski S.R.) - A redshift limit for the faint blue galaxy population from deep U band imaging, Astrophys.J.(Letters), 1990,357, L9-L12. Зельдович Я.Б. - Современная космология , в сб. Прошлое и будушео Вселенной, И., Наука, 1986.

Иовино и др.{ Iovino A., Shaver Р.А., Cristiani s.) - The clustering of quasars anr its evolution , ESO prepr., 19S1.N782

Иошии, Такахара (Yoshii У., Takahara F.) - Galactic evolution and cosmology : probing the cosmological deceleration parameter, Astrophys.J.,1988, 326,1-18.

Колесс и др. ( Colless И., Ellis R.S., Taylor К., Hook R.N.) -The LDSS deep redshift survey , Mon.Not.of the R.A.S.,1990, 244, 408-423.

Крон ( Kron R.G.) - Photometry of a complete sample of faint

galaxies, Astrophys.J.Suppl.Ser.,1980, 43,305-325.

Куу и Крон (Koo D.C., Kron R.G.) - Spectroscopic Survey of

QSO's to B=22.5 : The Luminosity Function, 1987, STScI prepr,

N195.

де Лаппарент и др.( de Lapparent V..Geller M.J., Hucra J.P.) - A slice of the Universe, Astrophys.J.(Letters),1986, 302, L1-L5.

Мегкалф и др.( Metcalfe н.. Shanks т., Fong R., Jones L.R.) -Galaxy number counts - II. CCD observations to B=25 mag, Kon.Not.R.a3tr.Soc., 1991, 249, 498-522.

Mo я др.( Ко H.J., Xia X.Y., Deng Z.G., Börner G., Fang L.Z.)

- Characteristic scales in the distribution of QSO absorb-tion line systems, Max-Plank-Institute prepr., 1991, N609. Ф\Дж. Э.Пиблс, Структура Вселенной в больших масштабах, И.,Мир, 1S83

Прэтт У. Цифровая обработка изображений, Н., Мир, 1982 Сэндейдж (Sandage А.) - The ability of the 200-inch telescope to discriminate between selected world models, Astrophys.J., 1961, 133,355-392.

Тайсон (Tyson J.A.) - Deep CCD survey : galaxy luminosity and color evolution, Astron.J., 1988, 96, 1-23.

Тинсли (Tinsley B.) -- On the interpretation of galaxy counts, Astrophys.J.,1980, 241, 41-53.

Тояри,Дэвuc I Tonry J.,Davis M.) - A survey of galaxy red-shifts. I. Data reduction techniques, Astron.J., 1979, 84, 1511-1525.

Фукуджита и др.(Fukugita M.,Takahara F.,Yamashita K.,Yoshii Y.) - Test for the cosmological constant with the number count of faint galaxies, Astrophys.J.(Letters), 1990, 361,LI—L4.

Хай не и Джиованелли (Haynes М-Р., Giovanelli R.) - The connection between Pisces-Perseus and the local supercluster, Astrophys.J. (Letters), 1986, 306, L55-L60.