Поиск космического транзиентного радиоизлучения в метровом

Поиск источников транзиентного радиоизлучения в
диапазоне частот 110 МГц.( Первые результаты).
Коваленко А.В., Субаев И.А.
Транзиентные источники радиоизлучения ассоциируются с
динамичными, взрывными процессами. Исследование таких процессов
имеет очень важное значение для понимания фундаментальных
физических и астрофизических проблем. Поиск транзиентных
источников радиоизлучения имеет длинную историю. Многие
исследователи предлагают различные астрономические объекты как
близкие, так и находящиеся на космологических расстояниях в качестве
источников транзиентного радиоизлучения. Можно перечислить
некоторые из них. Так, были зарегистрированы радио вспышки от
нескольких звезд - коричневых карликов [Berger 2001, Hallinan et al.
2007]. Некоторые пульсары излучают «гигантские» импульсы, которые
превышают в тысячу, сотни тысяч раз интенсивность среднего
импульса. Долгое время пульсар в Крабовидной туманности был
единственным пульсаром, у которого наблюдалось такое явление
[Hankins et al. 2003], однако «гигантские» импульсы зарегистрированы
уже у других пульсаров [Cognard et al. 1996, Johnston & Romani 2003].
Обнаружен новый класс пульсаров — транзиентные пульсары [Kramer
et al. 2006]. Эти объекты спорадически излучают импульсы только
очень короткий (не больше 10% ) интервал времени. Существуют
модели, которые указывают на возможность возникновения
импульсного (<1сек) радиоизлучения во время вспышки сверхновой
звезды [Colgate & Noerdlinger 1971, Kardashev et al. 1977]. Многими
исследователями предпринимались попытки поиска радиоимпульсов,
ассоциирующихся с гамма всплесками или их предвестниками, но эти
попытки пока не увенчались успехом [Koranyi et al 1994,1995] хотя в
настоящее время предложено несколько моделей возникновения
довольно сильного импульсного радиоизлучения на частотах ниже 100
МГц, сопровождающее гамма всплески [Usov & Katz 2000, Sagiv &
Waxman 2002].
Обычно координаты транзиентных источников неизвестны и
момент возникновения радиоизлучения так же неизвестен, поэтому при
поиске таких источников требуются чувствительные инструменты с
широким углом зрения и позволяющие проводить непрерывный
мониторинг как можно более длительное время. Широкий угол зрения
и высокая чувствительность – трудно сочетаемые параметры. Обычно
чувствительные антенны имеют узкие диаграммы направленности, а
при поиске транзиентных источников с узкой диаграммой вероятность
попадания таких источников диаграмму становится очень малой.
Поэтому исследователи для поиска транзиентных источников
радиоизлучения использовали малочувствительные с широким полем
зрения установки. Например, [Charman et al. 1970] использовали
разнесенные полуволновые диполи на частоту 151 МГц с
чувствительностью 105 Ян, [Hugenin&Moore 1974] использовали две
разнесенные регистрирующие системы мониторинга всего неба на
частоте 270 МГц с чувствительностью 104 Ян. Дагкесаманский Р.Д. и
др. 2002 использовали разнесенные полуволновые диполи на частоту
110 МГц с чувствительностью 4 103 Ян. Систему из трех диполей,
установленных в разных географических пунктах, использовали для
мониторинга неба на частоте 611 МГц с чувствительностью 27 103 Ян
[Katz et al. 2003].
После проведения модернизации радиотелескопа БСА ФИАН
появилась возможность проводить поиск транзиентного
радиоизлучения на частоте около 110 МГц в телесном угле 0.9
стерадиана с высокой чувствительностью 4-10 Ян. Система
регистрации модернизированного радиотелескопа БСА позволяет
одновременно фиксировать уровень космического радиоизлучения с 96
направлений (лучей) в плоскости меридиана, охватывая область
склонений от 42.13 до -8.20 градуса. Сигнал от каждого луча
разбивается на частотные подполосы, а ширина всей полосы приёма
равна 2.5 МГц. Обычно количество подполос устанавливается равным
шести – от 109.2 МГц до 111.3 МГц. Ширина полосы для каждого из
пяти низкочастотных подполос — 0.415МГц, а для шестой — 0.425
МГц. Постоянная времени равна 0.1 сек.
Радио всплеск космического происхождения вследствие
дисперсии электромагнитных волн в межзвездной и межгалактической
среде, регистрируемый в конечной полосе частот, будет не только
запаздывать, но и размываться во времени, и его момент регистрации
будет существенно зависеть от центральной частоты приема ν, а
длительность - от полосы приема Δν. Многочастотный поиск
импульсов радиоизлучения позволяет существенно увеличить
вероятность обнаружения дисперсионных сигналов. Действительно,
импульс, регистрируемый на более низкой частоте νн, запаздывает
относительно импульса, регистрируемого на более высокой частоте νв
на величину, определяемую выражением
∆t = 4.17·103 · DM ·(1/νн 2 -1/νв2 ) (сек)
(1),
где DM - мера дисперсии, соответствующая расстоянию L до
источника радио всплеска, в пк · см –3, а νн и νв - частоты, на которых
проводятся наблюдения, в МГц. Для радио всплесков, приходящих с
космологических расстояний (z~1) и регистрируемых на частоте 110
МГц запаздывание может составить несколько часов, а относительное
запаздывание между используемыми частотными каналами 111.3 МГц
и 109.2 МГц составит Δτ ~ 5 - 30 секунд.
Для поиска транзиентов была создана программа поиска
радиоимпульсов с длительностью от 5 секунд до 400 секунд по
данным многочастотного приема с помощью модернизированного
радиотелескопа БСА. Методика заключается в следующем. На первом
шаге по данным из нечетных подполос выделяется базовая линия.
Второй шаг – это исключение увеличения уровня принимаемого
сигнала, обусловленное космическими источниками непрерывного
радиоизлучения, а так же для того чтобы устранить флуктуации и
тренды фонового излучения. Для этого вычитается из каждой
подполосы её среднее значение за данный час. Далее вычитается из
четной подполосы (минус её среднее значение за данный час) нечетная
подполоса (минус её среднее значение за данный час): - из 2-й 1-ю, из
4-й 3-ю, из 6-й 5-ю подполосы, т.е. получаются парные разности двух
соседних подполос.
Затем в полученных разностных трех подполосах ищется
среднее отклонение по всему интервалу наблюдений. Если в какомлибо интервале большем или равном 5 секундам (50 точек) в
каждой подполосе отклонение от среднего по всему интервалу
больше заданного уровня, то производится запись в файл
превышений для каждой подполосы: номер всплеска, время начала
всплеска (с точностью 0.1 сек) и его длительность (с той же
точностью).
Далее вычисляются временные задержки между частотными каналами,
если отклонения уровня принимаемого радиоизлучения на какомнибудь интервале превышает заданный уровень. По задержкам на двух
первых каналах находится смещение от начала файла данных до
момента начала предполагаемого транзиента. При этом задержка между
всплесками на двух частотными каналами ограничена 200 секундами, а
разница между моментом предполагаемого транзиента и началом файла
данных ограничена семью часами назад во времени. Затем вычисляется
задержка и проводится проверка на существование всплеска в третьей
подполосе. Если отклонение в третьем канале по вычисленной
задержке превышает заданное нами значение и, если разница между
вычисленным временем предполагаемого всплеска на третьей
подполосе и реальным меньше чем половина длительности всплеска на
первой подполосе, то это событие отмечается как возможный
транзиент. Это событие в дальнейшем дополнительно анализируется.
Если длительность всплесков на второй и третьей разницах подполос
больше чем половина длины всплеска на первой разнице подполос и
меньше чем его двукратная длительность, то эта тройка всплесков
записывается в окончательный файл транзиентов.
Проведен первоначальный анализ результатов мониторинга
космического радиоизлучения с помощью модернизированного
радиотелескопа БСА. На рис.1 и рис.2 представлены гистограммы
распределения количества событий в зависимости от заданного уровня
срабатывания алгоритма выделения событий в течении одних суток в
одном луче и одной подполосе для разных дней. Из рисунков видно,
что при уровне меньше 2-х средних отклонений по интервалу в
основном регистрируются события обусловленные флуктуациями
шумов и помехами малого уровня. На рис.3 представлены гистограммы
распределения количества событий в зависимости от заданного уровня
срабатывания алгоритма выделения событий в течении трех суток в
одном луче при изменениях уровня срабатывания — от 2.0 до 3.0. На
рис.3а представлены гистограммы распределения количества всех
событий выше заданного уровня, на рис.3б представлены гистограммы
распределения количества событий выше заданного уровня и
длительностью от 5 до 400 сек. Из рисунка видно как существенно
уменьшилось число ложных событий при введении дополнительного
критерия на длительность всплесков. На рис.4 представлены
разностные значения между соседними подполосами. Из рисунка видно
как в результате вычитания фильтровались флуктуации, которые не
несут дисперсионной окраски в том числе и значительная часть
широкополосных помех.
а)
б)
Рис.3
Рис.4
Ниже приведены результаты поиска транзиентного
космического излучения в марте 2015г. в течении 5 суток. В таблице 1
представлены результаты поиска транзиентного излучения в луче 38
(склонение 26.10 градусов) в течении пяти суток. Каждая строка
таблицы содержит информацию о моменте выделенного события (time
1, 2, 3) на трех частотах — 111.3, 110 и 109.2 МГц относительно начала
регистрации в каждых сутках, (tau1,tau2,tau3) – вычисленная задержка
по времени от момента самого всплеска до момента регистрации
события на разных частотах, длительность события (Len 1,2,3). Из
таблицы 1 видно, что с этого направления за каждые сутки выделено в
основном по одному событию.
Таблица 1.
(day1,day2,day3,day4,day5 = from 23h 12032015 to 01h 16 03 2015)
ДАТА: 12032015
x
tau1 Time1
-222029. 1906. 223933.
ДАТА: 13032015
x
tau1 Time1
-218268. 3351. 221618.
ДАТА: 14032015
x
tau1 Time1
-214561. 4665. 219225.
ДАТА: 15032015
x
tau1 Time1
-222251. 460. 222710.
-211885. 4994. 216878.
ДАТА: 16032015
x
tau1 Time1
-212028. 2300. 214327.
Len1 tau2 Time2
Len2 tau3 Time3
Len3
2847. 1935. 223962. 2765. 1964. 224077. 2504.
Len1 tau2 Time2
Len2 tau3 Time3
Len3
2768. 3402. 221669. 2618. 3454. 221733. 2468.
Len1 tau2 Time2
Len2 tau3 Time3
Len3
2786. 4736. 219296. 2638. 4808. 219373. 2431.
Len1 tau2 Time2
Len2 tau3 Time3
Len3
1619. 467. 222717. 1537. 474. 222719. 1538.
2811. 5070. 216954. 2624. 5147. 217036. 2433.
Len1 tau2 Time2
Len2 tau3 Time3
Len3
3091. 2335. 214362. 2998. 2370. 214434. 2784.
Рис. 5
На рис.5 представлено распределение выделенных событий посуточно
за 5 суток мониторинга с помощью БСА по 96 направлениям в
плоскости меридиана. Всего за 120 часов наблюдений выделено 2239
событий, некоторые из них могут быть транзиентами. Это покажет
дальнейший анализ.
Литература.
Berger E., et al. 2001, Nature, 410, 338
Hallinan, G., Bourke, S., Lane, C., et al. 2007, ApJ, 663, L25
Hankins, T.H., et al. 2003, Nature, 422, 141
Cognard, I., Shrauner,J.A, Taylor, J.H., & Thorsett, S.E. 1996, ApJ, 457, L81
Johnston, S. & Romani, R.W. 2003, ApJ, 590, L95
Kramer, M., Lyne, A.G., O'Brien, J.T., Jordan, C.A., & Lorimer, D.R. 2006,
Science, 312, 549
Colgate, S.A. & Noerdlinger, P.D. 1971, ApJ, 165, 509
Kardashev, N.S. et al. 1977, Soviet Astron., 21, 1
Koranyi, D.M., et al. 1994, MNRAS, 271, 51
Koranyi, D.M., et al. 1995, MNRAS, 276, L13
Usov, V.V. & Katz, J.I. 2000, A&A, 364, 655
Sagiv, A. & Waxman, E. 2002, ApJ, 574, 861
Charman, W., et al. 1970, Nature, 228, 346
Hugenin, G. & Moore, E. 1974, ApJ,187, L57
Дагкесаманский Р.Д., Извеков Б.К., Коваленко А.В., Лапаев К.А.,
Субаев И.А. 2002, препринт ФИАН №10
Katz, C.A., et al. 2003, astro-ph/0304260v1.