Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

01.03.02 - астрофізика, радіоастрономія

Оптичні спостереження гравітаційних лінз

Железняк Олександр Петрович

Харків 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Науково-дослідному інституті астрономії Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Дудінов Володимир Миколайович,Науково-дослідний інститут астрономії Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна Міністерства освіти і науки України,завідувач відділу обробки зображень.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Железняк Олег Олександрович, Національний авіаційний університет, завідувач кафедри космічних геоінформаційних систем, м. Київ;

кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Корнієнко Юрій Вячеславович, Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України, керівник групи відділу квантової електроніки та нелінійної оптики, м. Харків.

Провідна установа: Радіоастрономічний інститут НАН України, відділ космічної радіофізики, м. Харків.

Захист відбудеться “ 01 ” квітня 2005 р. о 15:30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.051.02 Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна. Адреса: Україна, 61077, м. Харків, пл. Свободи 4, ауд. 3-9.

З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна за адресою: Україна, 61077, м. Харків, пл. Свободи 4.

Автореферат розісланий “ 24 ” лютого 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Ляховський А.Ф

1. Загальна характеристика роботи

гравітаційний лінза фотометричний квазар

Актуальність теми. Дисертаційна робота є актуальною і присвячена дослідженню явища гравітаційного лінзування космічних тіл. Мова йде про проходження світла віддалених на космологічні відстані квазарів через гравітаційні поля галактик або їх скупчень. Феномен гравітаційної лінзи, який був одним з передбачень загальної теорії відносності, розглядається зараз як один з ефективних інструментів для астрофізичних та космологічних досліджень, який дозволяє вивчати властивості утворень Всесвіту довільного масштабу, що мають гравітаційне поле. Гравітаційні лінзи (ГЛ) проявляють себе у вигляді своєрідного космічного міражу, у випадках, коли між віддаленим джерелом і спостерігачем, близько до променю зору, знаходиться масивний об'єкт. В залежності від розташування джерела та структури лінзуючої маси спостерігач може бачити два або більше розщеплених зображень джерела, дуги або кільце. Теорія проходження світла в гравітаційних полях вважається на сьогодні досить розвиненою і дає можливість використати регулярні високоточні спостереження будь-яких змін в гравітаційно-лінзових системах (координат, варіацій блиску та спектральних характеристик) для вирішення багатьох фундаментальних астрофізичних проблем. Згідно з останніми даними, частина матерії Всесвіту, доступна спостереженню традиційними оптичними методами, становить лише 0.6%; прихованій масі (темній матерії) відводиться біля 30%. Більшу ж частину загального балансу маса-енергія Всесвіту становить енергія фізичного вакууму (“темна енергія”), яка відповідає за прискорене розширення Всесвіту. На сьогодні саме феномен ГЛ є основним інструментом для дослідження темної матерії. Іншим відомим застосуванням явища ГЛ є можливість одержання прямої (незалежної від проміжних індикаторів відстані) оцінки величини сталої Хабла шляхом вимірювання затримки у часі між коливаннями блиску окремих лінзованих компонентів квазару.

Вивчення феномену гравітаційного лінзування у випадку гравітаційно-лінзованих квазарів (ГЛК), число яких на сьогодні перевищило 60, значною мірою стримується надзвичайною складністю спостережень. Так, вимірювання затримок у часі між коливаннями блиску окремих компонентів ГЛК для оцінки сталої Хабла потребують безперервного моніторингу вибраного об'єкту впродовж кількох років. При звичайних астрокліматичних умовах ГЛК, як правило, не розділяються на компоненти, компактність просторової структури суттєво ускладнює обробку спостережених даних. Саме з цих міркувань спостережна частина даної роботи виконана в умовах відмінного астроклімату на Майданацькій високогір-ній обсерваторії (МВО).

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. З 1989 р. робота виконувалася в межах науково-дослідних робіт у Науково-дослідному інституті астрономії Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна, зокрема за № держ. реєстрації 0197U002490 (1997-1998 рр.), 0199U004410 (1999-2000) та 0101U002490 (2001-2003 рр.), та проходила в рамках міжнародної Українсько-Узбецької програми “Розвиток спостережної бази наземної оптичної астрономії на горі Майданак (Узбекистан)” (протокол засідання Спільної українсько-узбецької комісії №1 від 17 квітня 1997 р., та протокол №2 від 16 січня 1998 р.), при фінансовій підтримці з боку гранту CRDF (No. UP2-302 ) та міжнародного фонду "Maidanak". Спостереження, що становлять основу даної роботи, проведено на Майданацькій Високогірній обсерваторії (МВО) в рамках трьохсторонньої міжнародної кооперації між НДІ астрономії ХНУ ім. В.Н. Каразіна (Україна), ДАІШ МДУ (Росія) та Інститутом астрономії ім. Улугбека (Республіка Узбекистан), а також на основі договорів про творче співробітництво з Радіоастрономічним Інститутом НАН України, Інститутом Теоретичної астрофізики Осло (Норвегія) та Гарвард-Смітсоніанським астрофізичним центром (США).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є проведення оптичних спостережень феномену гравітаційної лінзи, одержання та аналіз фотометричної і астрометричної інформації та інтерпретація отриманих даних.

Для досягнення цієї мети розв'язувались наступні задачі:

1. Вивчення опублікованих характеристик ГЛК, відбір систем-кандидатів для дослідження у рамках Програми моніторингу вибраних ГЛК на МВО.

2. Дослідження характеристик телескопу та ПЗЗ-камер, організація та проведення наземних оптичних спостережень з максимально досяжним кутовим розділенням.

3. Розробка методів одержання та обробки ПЗЗ-зображень з урахуванням специфіки об'єктів дослідження.

4. Обробка та аналіз спостережних даних з метою одержання характеристик ГЛК - координат та блиску компонентів у декількох спектральних смугах оптичного діапазону, побудова кривих блиску компонентів.

5. Аналіз та інтерпретація одержаної інформації, моделювання ГЛ.

Об'єкт дослідження: гравітаційно-лінзовані квазари, мікролінзи.

Предмет дослідження: спостережні характеристики гравітаційно-лінзованих квазарів у оптичному діапазоні та їх зміни у часі, мікролінзування квазарів та мікролінзування у Галактиці.

Методи досліджень: одержання астрономічних зображень з високим кутовим розділенням, фотометрія ПЗЗ-зображень, методи аналізу кривих блиску, комп'ютерне моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів.

· Вперше організовані та проводяться регулярні ПЗЗ-спостереження вибраних гравітаційно-лінзованих квазарів (ГЛК) на Майданацькій обсерваторії. По досягнутому типовому кутовому розділенню зображень, об'єму та загальному рівню інформації, що одержується, Програма моніторингу вибраних ГЛК на Майданацькій обсерваторії не має аналогів на території країн колишнього Радянського Союзу.

· Розроблено нову оригінальну методику тестування лінійності та проведено вимірювання ряду світлотехнічних характеристик ПЗЗ-камер.

· Розроблено та впроваджено програмне забезпечення для обробки рядів ПЗЗ-зображень ГЛК та подальшого аналізу одержаної інформації.

· Одержано нову астрометричну та фотометричну інформацію про компоненти 20 гравітаційно-лінзованих квазарів.

· Проведено спостереження ГЛК SBS1520+530 з високим кутовим розділенням, за даними обробки яких вперше при наземних оптичних спостереженнях виявлено галактику-лінзу; побудовано модель гравітаційної лінзи для цієї системи, за якою оцінено очікувану величину часу затримки.

· Проведено моніторингові спостереження ГЛК Q0957+561 у рамках міжнародної кооперативної програми QuOC. В результаті виконання програми вперше виміряно час затримки для компонентів ГЛК Q0957+561 з похибкою результату порядку години. Оцінка сталої Хабла, одержана за спостереженнями в рамках програми QuOC, узгоджується з оцінками, одержаними раніше іншими методами, і становить 6413 км/сМпк. Аналіз даних, одержаних на Майданацькій обсерваторії, дозволив вперше одержати пряме підтвердження наявності флуктуацій блиску компонентів А та В Q0957+561 на інтервалах часу порядку декількох годин.

· Отримано нову інформацію про поведінку у часі блиску компонентів двох ГЛК - SBS1520+530 та Q2237+0305 ("Хрест Ейнштейна") на основі обробки даних безперервного 50-ти добового моніторингу. Виявлено варіації блиску компонентів А та В SBS1520+530 на інтервалах часу порядку десяти діб. У компонентів А-D ГЛК Q2237+0305 в період моніторингу не виявлено швидких варіацій блиску на коротких інтервалах часу (декілька годин), значимих у порівнянні з похибками вимірювань.

· Запропоновано методику та виконано практичну демонстрацію можливості детектування мікролінзування малими масами гало Галактики шляхом моніторингу блиску зірок кульових скупчень. В результаті аналізу одержаного спостережного матеріалу у центральній області кульового зоряного скупчення М15 відкрито 28 нових змінних зірок.

Практичне значення одержаних результатів. Практична цінність одержаних результатів визначається перш за все кількістю та якістю одержаних спостережних даних. Одержані результати мають також таке практичне значення:

· методика тестування ПЗЗ-детекторів може бути використана для інших, в тому числі неастрономічних застосувань;

· програмне забезпечення для обробки зображень та аналізу одержаної інформації являється достатньо універсальним і може використовуватись при вирішенні широкого кола задач, пов'язаних з обробкою зображень;

· фотометричні та астрометричні дані про компоненти ГЛК, а також їх криві блиску є вихідним матеріалом для побудови моделей гравітаційних лінз, одержання статистичних оцінок щодо популяції мікролінз (спектр мас, розподіл швидкостей) та параметрів випромінюючої зони квазару-джерела;

· запропонований метод пошуку подій мікролінзування у Галактиці може лягти в основу окремої спостережної програми, а також використовуватись для пошуку змінних зірок у щільних зоряних полях, наприклад, у кульових зоряних скупченнях Галактики.

Особистий внесок здобувача. У роботі [1] автор приймав участь у спостереженнях та обробці даних. У роботі [2] автору належить ідея пристрою для калібровки масштабу. Спостереження та попередня обробка даних, що увійшли у роботи [3,5,9], виконано автором. Частина результатів підсумкової роботи [4], одержана автором - спекл-голографія Cnc, оптичне ототожнення MG1131+0456. Ідея роботи [6] належить автору, ним виконано спостереження та обробка зображень М15. В роботі [7] використано спостережні дані, отримані автором на МВО; ним проведено обробку спостережного матеріалу та підготовку рукопису статті. В роботі [8] автор приймав участь у обробці даних спостережень та обговоренні результатів. Дані, одержані автором на МВО у ході міжнародної програми моніторингових спостережень, та результати їх попередньої обробки, увійшли у роботи [10,11]. Обробку зображень, ототожнення та побудову кривих блиску змінних зірок у роботі [12] виконано автором. У роботі [13] використано частину спостережних даних, одержаних автором. У роботі [14] автор приймав участь у спостереженнях, обробці даних і підготовці рукопису статті. У роботі [15] використано дані спостережень, одержані автором; методику автора використано при обробці зображень для пошуку лінзуючої галактики та фотометрії компонентів А,В SBS1520+530; ним підготовлено рукопис статті.

Текст та висновки публікацій [1]-[15] порівну належать всім співавторам.

За участю автора виконано корекцію орієнтації полярної осі телескопу АЗТ-22 та юстировка оптичних систем телескопу, що дозволило поліпшити якість спостережених даних. Обробка зображень та аналіз одержаної інформації виконані безпосередньо автором з використанням власного програмного забезпечення.

Апробація результатів дисертації.

Матеріали дисертації доповідалися:

- на I-IV конференціях з міжнародною участю "Relativistic Astrophysics, Gravitation and Cosmology" (Київ, 1998, 2000, 2002 та 2003 р.р.), UKRASTRO-2000 (Київ, 2000 р.), GRAV - 2000 (Харків, 2000 р.), ASTROECO-2002 ( Терксол, 2002 р.);

- на міжнародних конференціях JENAM-2000 (Москва, 2000 р.), JENAM-2003 (Будапешт, 2003 р.);

- на міжнародних симпозіумах по проблемам гравітаційних лінз "GL workshop" (Center for Advanced study, Oslo, 1997 та 1998 р.р.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи викладені в 15 статтях, опублікованих у фахових журналах, в тому числі 4 з них - за кордоном.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг дисертації складає 208 сторінок, з них 146 сторінок основного тексту та 16 сторінок додатків. Дисертація містить 61 рисунок і 12 таблиць, з яких 29 рисунків і 5 таблиць повністю займають площу сторінки. Список використаних джерел на 12 сторінках нараховує 116 найменувань.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми, розглянуто її зв'язок з науковими програмами, визначені мета та задачі досліджень, методи їх розв'язання. Вказано наукову новизну отриманих результатів та практичну цінність проведених досліджень, відмічено особистий внесок автора і апробацію одержаних результатів.

Перший розділ присвячено огляду сучасного стану досліджень феномену гравітаційної лінзи у Всесвіті. Коротко викладено основні положення теорії гравітаційних лінз та зроблено числові оцінки очікуваних кутових масштабів та коефіцієнтів підсилення для декількох можливих конфігурацій ГЛ. Послідовно розглянуто прояви ГЛ, які спостерігаються безпосередньо - гравітаційно-лінзовані квазари, дуги у скупченнях галактик, кільця Ейнштейна, або доступні непрямому виявленню при спеціальних спостереженнях - мікролінзування квазарів, мікролінзування об'єктами гало Галактики, слабке (статистичне) лінзування. Огляд найважливіших астрофізичних результатів, одержаних через дослідження ГЛ, включає вимірювання величини сталої Хабла, визначення мас та швидкостей окремих зірок у далеких галактиках шляхом вивчення подій мікролінзування квазарів, вивчення структури квазарів з безпрецедентним кутовим розділенням, картування розподілу маси, у тому числі і невидимої, у галактиках та скупченнях галактик, детектування компактних об'єктів гало Галактики. Дану роботу було розпочато у зв'язку з нагальною необхідністю отримання нової інформації про гравітаційно-лінзовані квазари та виходячи з можливості проведення спостережень на телескопі АЗТ-22 Майданацької високогірної обсерваторії, відомої своїм унікальним астрокліматом [4].

У другому розділі розглянуто теоретичні основи та практичні методи одержання фотометричної та астрометричної інформації за наземними спостереженнями слабких компактних об'єктів складної просторової структури, до яких відносяться і ГЛК. Кутова роздільна здатність оптичної системи характеризується двовимірним розподілом інтенсивності у функції розсіювання точки (ФРТ); числовим параметром, що визначає роздільну здатність, є розмір ФРТ на рівні 0.5 від максимальної інтенсивності (Full Width at Half Maximum, FWHM). Обчислено радіальний розподіл інтенсивності в ФРТ ідеального телескопу з апертурою діаметром 1.5 м, для випадків неекранованої апертури та апертури з центральним екрануванням 40%.

При наземних спостереженнях реальна роздільна здатність телескопу (“якість зображення”) обмежується атмосферною турбулентністю, і становить 1- 3 (FWHM) для випадку тривалих, порівняно з часом замороженості атмосфери (0.0010.01 сек), експозицій [1,2,4]. Аналіз форми ФРТ телескопу АЗТ-22 показав, що найкращі зображення наближаються за роздільною здатністю до очікуваних з теоретичних засад є ознаки того, що у випадку особливо стабільних атмосферних умов роздільна здатність АЗТ-22 обмежується не турбулентністю, а залишковими абераціями оптики та похибками системи розвантаження дзеркал.

На основі моделювання та даних спостережень отримано оцінки відношення сигнал/шум (ВСШ) для зображень, що реєструються з ПЗЗ-детектором на телескопі АЗТ-22 МВО. Показано, що телескоп середніх розмірів (діаметр апертури 1-3 м) з сучасним ПЗЗ-приймачем в умовах хорошого астроклімату здатний забезпечити одержання зображень об'єктів до 20m з ВСШ 100.

Обробка астрономічних зображень у даній роботі базується на методі ФРТ-фотометрії, який дозволяє вимірювати блиск та координати зореподібних об'єктів, в тому числі розташованих компактно. Якщо ФРТ даного зображення є G(x,y), то для нерозділеного (зореподібного) джерела координати максимуму розподілу інтенсивності x0,y0 та нормуючий множник при ФРТ Н0 обчислюються шляхом мінімізації середнього квадрату різниці

,

де Ii,j - зареєстрована інтенсивність у елементі (пікселі) i,j двомірного масиву, що представляє зображення, Bg - інтенсивність фону неба в області зображення джерела, xi,,yj - координати. Проаналізовано підходи до оцінки ФРТ астрономічних зображень (аналітична, числова та комбінована ФРТ); виконано порівняння аналітичного та числового представлення ФРТ на даних спостережень. Показано, що більш адекватне представлення ФРТ при субкритичному кроці вибірки зображення забезпечує числова ФРТ.

При моніторингових спостереженнях блиску компонентів ГЛК постає задача фотометрії серій ПЗЗ-зображень, одержаних на тривалих інтервалах часу. Основною проблемою при обробці подібних серій є різнорідність зображень, викликана, зокрема, варіаціями якості зображення впродовж серії. В ряді випадків ситуація ускладнюється наявністю поблизу компонентів ГЛК лінзуючої галактики, розподіл яскравості якої відрізняється від розподілу для зореподібного джерела (точки) [3,13]. Розглянуто основні алгоритми, запропоновані для фотометрії зображень компонентів ГЛК - алгоритм ітеративного віднімання ФРТ [8], алгоритм автоматичної ФРТ-фотометрії, алгоритм XEClean та алгоритм MCS. Дещо відмінний по суті від згаданих, алгоритм оптимального віднімання зображень (ОВЗ), було розроблено спеціально для фотометрії серій зображень. Алгоритм ОВЗ дозволяє отримати інформацію про диференційні варіації блиску джерела по відношенню до фіксованого (референтного) кадру. Основною проблемою при обчисленні коректної різниці двох зображень є приведення ФРТ референтного кадру до ФРТ кожного з кадрів серії. При застосуванні алгоритму ОВЗ визначається ядро двовимірної згортки Ker(u,v), яка приводить референтне зображення R(x,y) до робочого Im(x,y), шляхом мінімізації по всім пікселям різниці:

де x,y - координати у центрованому кадрі, Bg(x,y) задає різницю інтенсивності фону неба, символом позначено дискретну згортку. Якщо ядро Ker(u,v) представлено у вигляді суми k фіксованих двомірних Гаусових функцій (параметр k), модифікованих поліномами ступеню не вище i,j:

,

то задача мінімізації зводиться до визначення невідомих коефіцієнтів An шляхом вирішення системи лінійних рівнянь стандартним методом найменших квадратів. Подальша фотометрія отриманих диференційних зображень може виконуватись із застосуванням методів апертурної або ФРТ-фотометрії [6].

Для одержання фотометричної та астрометричної інформації при обробці астрономічних зображень в даній роботі використовувались адаптовані варіанти алгоритмів автоматичної ФРТ-фотометрії, ітеративного віднімання ФРТ та ОВЗ; для кожного із алгоритмів було створено відповідне програмне забезпечення. Проведено порівняння результатів застосування перелічених алгоритмів до спостережних даних. За результатами порівняння зроблено такі висновки: 1) для одержання вихідної інформації щодо блиску та координат компонентів ГЛК необхідно використовувати дані з максимальним ВСШ та субсекундною якістю зображення; в цьому випадку придатні алгоритми, що базуються на ФРТ-фотометрії; 2) у випадку обробки серій зображень з невеликими варіаціями якості зображення впродовж серії, всі алгоритми забезпечують задовільну збіжність результатів фотометрії; 3) для випадку фотометрії серій різнорідних зображень достатню гнучкість та задовільну внутрішню збіжність результатів забезпечують алгоритм ОВЗ та (за твердженням авторів) алгоритм MCS.

Третій розділ присвячено постановці оптичних спостережень ГЛК. Спостереження виконано на 1.5 м телескопі АЗТ-22, встановленому на горі Майданак (Узбекистан) на висоті 2500 м. Майданацька високогірна обсерваторія відома своїми унікальними астрокліматичними умовами і є одним з кращих астропунктів на території СНГ. Оцінки якості зображення для тривалих експозицій, одержані за даними спостережень з комплексом АЗТ-22, складають для кращого сезону (зима-весна) 0.8-0.9, сягаючи 0.55-0.45 для окремих ночей [17, 20].

Таблиця 1 Коефіцієнти екстинкції am,,bm для інструментальних смуг BVRI комплексу АЗТ-22 та коефіцієнти трансформації Am, Bm інструментальної системи до стандартної UBVRI

Смуга	am	bm	Am	Bm
B	0.256313	0.040615	0.61002	0.116325
V	0.180437	0.023933	0.782622	-0.04182
R	0.098977	-0.01234	0.823712	-0.08064
I	0.05685	0.034329	0.498704	0.113283

Проведено дослідження основних інформаційних характеристик ПЗЗ-камер ST-7 та BroCam, які використовувались при спостереженнях на телескопі АЗТ-22, зокрема, розроблено та застосовано методику тестування лінійності.

Виявлено та відкалібровано відхилення від лінійності для ПЗЗ-камери ST-7. Визначено послідовність процедур первинної обробки зображень для обох камер з урахуванням результатів дослідження їх характеристик. Викладено методику та результати дослідження інструментальної фотометричної системи АЗТ-22 з ПЗЗ-камерою BroCam.

Визначено, що інструментальна фотометрична система в цілому близька до стандартної фотометричної системи UBVRI Джонсона-Коузінса.

Таблиця 2 Результати координатних та фотометричних вимірювань для компонентів 20 ГЛК

№	Позначення ГЛК	Момент, JD 2450000+	Метод	Компонент	Відносні екваторіальні координати,	Зоряна величина у смузі
							B	V	R	I
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
1	B0142-100	2523.45	Ф Ф A	A	0	0		16.47	16.33	16.27
				B	2.058	-0.522		18.76	18.52	18.23
				G	1.193	-0.398			>21.0	20.43
2	B0218+437	1438.39	A	A+B	-	-			19.63	18.58
3	MG0414+0534	1439.49	Ф Ф Ф Ф A	A1	0.597	-1.874				20.26
				A2	0.719	-1.439				21.25
				B	0	0				21.05
				C	-1.205	-1.513				21.93
				G	-0.963	-1.380				21.14
4	B0712+452	1815.52	A		-	-				19.88
5	B0751+2716	1637.28	A A A A	G1	0	0				19.91
				G3	5.771	-1.052				21.02
				G4	-1.295	-6.995				21.74
				G5	10.042	-3.797				21.52
6	APM0827+525	1846.43	Ф Ф	A	0	0	18.43	16.20	15.07	14.54
				B	0.148	-0.290	20.03	17.55	16.25	15.84
7	SBS0909+532	1576.30	Ф Ф A	A	0	0		17.04	16.41	16.09
				B	0.982	-0.496		17.89	17.06	16.43
				G	0.4	-0.2		>21.0	>21	19.80
8	RXJ0911+0551	1160.46	Ф Ф Ф Ф	A1	0	0		18.50	18.06	18.38
				A2	0.264	0.412		18.66	18.68	18.39
				A3	-0.053	0.987		19.55	19.25	19.13
				B	-2.967	0.7396		19.65	19.41	19.47
9	FBQ0951+562	1579.34	Ф Ф A	A	0	0		17.16	16.86	16.47
				B	0.825	-0.594		18.19	17.91	17.50
				G	0.39	-0.230		21.31	20.78	19.91
10	RXJ0921+4258	1998.44	Ф Ф A A	A	0	0				17.50
				B	6.225	-2.803				19.27
				G	3.170	-0.695				20.28
				G1	6.955	-2.021				21.16
11	BRI 0952-0115	1580.34	Ф Ф	A	0	0			19.36	19.31
				B	-0.657	-0.663			20.57	20.62
12	LBQS1009-0252	1588.39	Ф Ф Ф	A	0	0			17.88	17.61
				B	-0.595	-1.272			20.05	19.45
				C	-3.996	1.613			18.55	18.28
13	PG1115+080	2026.42	Ф	A1	1.219	-2.145	17.35	17.32	15.61	15.99
			Ф Ф Ф	A2	1.438	-1.661	17.23	17.02	16.11	15.83
				C	0	0	18.56	18.43	17.08	17.20
				B	-0.341	-1.896	18.94	18.85	17.44	17.50
14	B1152+199	1998.34	Ф Ф A	A	0	0			16.42	16.38
				B	0.774	-1.230			20.02	19.11
				G	0.138	-0.377			>20.0	19.54
15	H1413+117	2020.45	Ф Ф Ф Ф	A	0	0	18.76	17.81	17.53	17.47
				B	0.735	0.151	19.30	18.26	17.77	17.70
				C	-0.503	0.718	19.03	18.12	17.85	17.77
				D	0.347	1.030	19.40	18.43	18.04	18.03
16	B1422+231	1194.52	Ф Ф Ф Ф	A	0.395	0.299			16.51
				B	0	0			16.10
				C	-0.358	-0.743			16.85
				D	0.974	-0.723			19.08
17	FBQ1633+3134	1990.24	Ф Ф A	A	0	0	17.75	17.47	17.09	16.90
				B	0.558	-0.421	19.05	18.84	18.44	18.24
				G	0.052	-0.043	>21.0	20.96	19.95	20.02
18	B1600+434	1440.17	Ф Ф A	A	0	0			21.39	20.95
				B	0.657	1.050			21.53	21.31
				G	0.487	1.031			21.20	20.34
19	MG1654+1346	1381.26	A Ф	G	0	0			17.96	16.95
				Q	-2.126	1.854			18.98	18.32
20	B2114+022	1781.26	A A	A	0	0			19.84	18.86
				B	0.162	1.133			20.48	19.15

У четвертому розділі викладено результати спостережень ГЛК на Майданацькій високогірній обсерваторії. Метою первинних спостережень, виконаних на протязі 1998-2002 р. р. [9,20], було вивчення видимої структури компонентів ГЛК та їх безпосереднього оточення на основі зображень з високим кутовим розділенням у декількох спектральних смугах оптичного діапазону. В результаті було отримано фотометричну та астрометричну інформацію про компоненти 20-ти вибраних ГЛК, приведену у табл. 2. У колонках табл. 2 наведено: прийняте позначення ГЛК, юліанську дату моменту спостереження, метод фотометрії (А - апертурна, Ф - ФРТ-фотометрія), позначення компоненту, різницю екваторіальних координат , по відношенню до найяскравішого компоненту, зоряну величину компоненту у відповідній смузі. Для підвищення ВСШ при вимірюваннях використовувалось осереднені по 10-30 кадрам зображення ГЛК; досягнута якість зображення для об'єктів табл. 2 варіюється у межах 0.55-1.1. Найбільш тісним об'єктом, який вдалося впевнено розділити на компоненти, є ГЛК FBQ1633+3134 (кутова відстань компонентів 0.66); у більш тісної системи APM0827+5255 (кутова відстань компонентів 0.38) зображення компонентів A, B не розділяються, але впевнено детектується видовженість сумарного зображення. Оцінки інтегральної яскравості галактик отримано методом апертурної фотометрії, для нерозділених на компоненти ГЛК наведено блиск сумарного зображення. Відносна похибка оцінок блиску варіюється, в залежності від інтенсивності об'єкту, в межах 2%-10%; похибка вимірювань координат складає 0.01- 0.03 для зореподібних джерел. Приклади ПЗЗ-зображень ГЛК з вибірки табл. 2 наведено

Проведено обробку даних моніторингових спостережень трьох ГЛК. Основною метою міжнародної програми QuOC ("Quasar Observing Consortium") [10,11] було визначення часової затримки компонентів А,В Q0957+561 шляхом проведення безперервних (цілодобових) спостережень з 12-ти обсерваторій, розташованих на різних довготах. Спостереження виконувались у два етапи: впродовж 10-ти діб у січні 2000 р., та, приблизно через очікуваний час затримки компонентів А,В, - у березні 2001 р.; в число 12-ти обсерваторій-учасниць програми QuOC входила і МВО. В результаті обробки зведеного масиву даних спостережень QuOC було отримано часову затримку компонентів А,В Q0957+561 у 417.1050.047 діб. Оцінка величини сталої Хабла, обчислена на основі знайденої часової затримки, складає H0=6413 км сек-1 Мпк-1. Серія зображень Q0957+561, отримана на другому етапі програми QuOC на МВО (7 спостережних ночей, всього 409 кадрів), була оброблена окремо з використанням алгоритму ОВЗ. В результаті обробки встановлено наявність статистично значимих, у порівнянні з похибками вимірювань, варіацій блиску компонентів А та В Q0957+561 на інтервалах часу у кілька годин, впродовж двох ночей з семи - 14 та 21 березня 2001 р. Приклад отриманих кривих блиску (14 березня) наведено. Досягнута точність фотометрії компонентів А та В (0.01m-0.015m) для ночей з найкращою якістю зображення обмежується лише залишковими систематичними похибками і наближається до Пуасонівської межі.

Відкритий порівняно недавно ГЛК SBS1520+530 спостерігається на МВО з 1998р. [21], тобто практично з часу відкриття. До дисертації увійшли результати обробки даних безперервного (кожної ясної ночі) п'ятдесятиденного моніторингу цієї системи у 2000 р., а також результати по даним з високим кутовим розділенням, отриманим у 2001 р. Певні труднощі при обробці зображень SBS1520+530, отриманих на АЗТ-22, складає наявність яскравої (~11m) зірки безпосередньо біля компонентів А,В; було розроблено окремі процедури для виключення впливу розсіяного світла та дифракційних променів яскравої зірки при фотометрії зображень компонентів SBS1520+530 [15]. Обробка даних з високим кутовим розділенням дозволила продетектувати лінзуючу галактику SBS1520+530 у смугах R, I, яка, виходячи з показника кольору, є спіральною за класифікацією Хабла. Фотометрія моніторингової серії зображень SBS1520+530 показала наявність варіацій блиску на різних інтервалах часу (від десяти діб, і більше), що дозволяє віднести цей ГЛК до перспективних об'єктів для тривалого моніторингу з метою оцінки сталої Хабла. Побудовано модель ГЛ для SBS1520+530, за якою оцінено час затримки для компонентів А,В ~100 діб [7].

Таблиця 3 Зоряні величини та показник кольору компонентів ГЛК SBS1520+530 та об'єктів поля у смугах R,I системи Джонсона-Коузінса (квітень 2001 р.)

Об'єкт	R	I	R-I
SBS1520+530 A	18.390.02	17.920.02	0.47
SBS1520+530 B	18.920.02	18.540.02	0.38
G	21.870.30	20.610.20	1.26
G1	22.310.30	21.290.30	1.02
NW	19.530.03	19.150.03	0.38
SE	20.150.05	19.060.03	1.09

Один з найвідоміших ГЛК - Q2237+0305 (“Хрест Ейнштейна”), регулярно спостерігається на МВО з 1996 р. [8]. Враховуючи відомі труднощі, що виникають при фотометрії компонентів цього ГЛК [5,18,19], дані 50-ти денного моніторингу Q2237+0305, одержані у 2000 р., було оброблено з використанням алгоритму ОВЗ. Аналіз кривих блиску чотирьох компонентів A-D Q2237+0305 для 7 ночей, впродовж яких було одержано більш ніж 25 послідовних зображень (тривалість спостереження 3 години і більше), не виявив швидких варіацій блиску компонентів, які б перевищували похибки вимірювань. Криві блиску компонентів A-D Q2237+0305, побудовані для всього інтервалу моніторингу за осередненими для ночі даними фотометрії, показують лише плавні зміни блиску всіх компонентів впродовж періоду спостережень [13].

У останньому підрозділі четвертого розділу розглянуто метод пошуку подій мікролінзування об'єктами гало Галактики шляхом моніторингу блиску зірок у кульових зоряних скупченнях. Для демонстрації можливостей методу виконано спостереження кульового зоряного скупчення М15 на телескопі АЗТ-22 МВО в режимі моніторингу. В результаті обробки даних (250 ПЗЗ-зображень) з використанням алгоритму ОВЗ виявлено 83 об'єкти змінного блиску, 55 з яких ототожнено зі вже відомими змінними зорями, а решта 28 знайдено вперше [6]. Результат ототожнення представлено графічно. Аналіз кривих блиску відкритих змінних зірок дозволив віднести дві з них до типу SX Phe [12], а решту, за виключенням ще двох, - до змінних типу RR Lyr.

У висновках сформульовано основні результати дисертаційної роботи.

Висновки

Проведено спостереження вибірки ГЛК з високим кутовим розділенням та обробку одержаної інформації. Робота включала вдосконалення технічних засобів для спостережень, розробку та впровадження методів одержання та обробки астрономічних ПЗЗ-зображень. Найбільш важливі результати роботи такі:

1. Виконано порівняльний аналіз алгоритмів фотометрії рядів зображень компактних груп слабких астрономічних джерел; показано, що кращу внутрішню збіжність результатів фотометрії забезпечує алгоритм оптимального віднімання зображень (ОВЗ).

2. Проведено ПЗЗ-спостереження вибірки 20 гравітаційно-лінзованих квазарів з субсекундним кутовим розділенням, в результаті одержано нові фотометричні та астрометричні дані щодо компонентів цих систем.

3. Вперше за даними наземних оптичних спостережень знайдено галактику-лінзу у гравітаційно-лінзованому квазарі SBS1520+530, виміряно її координати та блиск у смугах R, I, та визначено тип за класифікацією Хабла.

4. Виконано ПЗЗ-спостереження гравітаційно-лінзованого квазару Q0957+561 у рамках міжнародної програми цілодобового моніторингу. В результаті вперше виміряно часову затримку для компонентів А та В Q0957+561 з похибкою порядку години - 417.1050.047 діб. Одержано оцінку величини сталої Хабла - 6413 кмс-1Мпк-1, що узгоджується з оцінками, опублікованими раніше.

5. Фотометрія рядів ПЗЗ-зображень ГЛК, отриманих у режимі моніторингу, показала наявність змін блиску компонентів А,В Q0957+561 на інтервалах часу порядку декількох годин, змінність блиску компонентів А,В SBS1520+530 - на інтервалах часу порядку десяти діб і більше, в той час як значимих змін блиску компонентів А-D Q2237+0305 на інтервалах часу в декілька годин не виявлено.

6. Запропоновано метод пошуку подій мікролінзування об'єктами гало Галактики, щo базується на моніторингу блиску зірок у кульових зоряних скупченнях. Обробка спостережених даних для кульового зоряного скупчення М15 згідно запропонованому методу дозволила відкрити 28 змінних зірок.

Публікації за темою дисертації

1. Бахтин В.Д., Вакулик В.Г., Железняк А.П., Коничек В.В., Синельников И.Е., Степанов С.А. Спекл-интерферометрическая камера телескопа АЗТ-8 Астрономической обсерватории Харьковского университета // Кинемат. и физ. неб. тел. - 1987. - Т. 3, № 4. - С. 90-93.

2. Бахтин В.Д., Вакулик В.Г., Железняк А.П., Коничек В.В., Синельников И.Е. Прецизионное определение масштаба при астрономических наблюдениях // Кинемат. и физ. неб. тел. - 1988. - Т. 3, № 4. - С. 93-96.

3. Блиох П.В., Дудинов В.Н., Вакулик В.Г., Железняк А.П., Коничек В.В., Синельников И.Е., Цветкова В.С., Минаков А.А., Шаляпин В.Н., Артамонов Б.П., Бруевич В.В., Эгамбердиев Ш.А., Хамитов И.М. Система Q2237+0305 (Крест Эйнштейна) по наблюдениям 1997 года на горе Майданак // Кинемат. и физ. неб. тел. - 1999. - Т. 15, № 4. - C. 338-349.

4. Дудинов В.Н., Вакулик В.Г., Железняк А.П., Коничек В.В., Плужник Е.А., Цветкова В.С. Основные результаты обработки астрономических изображений в Астрономической обсерватории Харьковского университета // Кинемат. и физ. неб. тел. - 1994. - Т. 10, № 2. - С. 86-97.

5. Дудинов В.Н., Вакулик В.Г., Железняк А.П., Коничек В.В., Синельников И.Е., Цветкова В.С., Минаков А.А., Артамонов Б.П., Бруевич В.В., Нуритдинов С.Н., Хамитов И. М. Вариации блеска и цвета в гравитационно-линзовой системе Q2237+0305 по наблюдениям в 1997 и 1998 гг. // Кинемат. и физ. неб. тел.

- 2000, -Т. 16, № 4. - С. 346-354.

6. Железняк А.П., Кравцов В.В. Мониторинг центральной области шарового скопления М15=NGC 7078: новые переменные звезды // Письма в АЖ. - 2003.

- Т. 29, № 9. - C. 678-691.

7. Железняк А.П., Сергеев А.В., Бурхонов О.А. Результаты оптических наблюдений гравитационной линзы SBS1520+530 на Майданакской обсерватории // Астрон. журн. - 2003. - Т. 80, № 9. - С. 756-766.

8. Vakulik V., Dudinov V., Zheleznyak A., Tsvetkova V., Notni P., Shalyapin V., Artamonov B. VRI photometry of the Einstein Cross Q2237+0305 at Maidanak observatory // Astron. Nachr. - 1997. - Vol. 318, № 2. - P. 73-80.

9. Dudinov V., Bliokh P., Paczynski B., Omma H.N., Schild R., Colley W., Vakulik V., Sergeyev A., Zheleznyak A., Artamonov B., Nuritdinov S., Ehgamberdiev Sh. A. program of international cooperative investigation of gravitational lens systems // Kinematics and Physics of Celestial Bodies Suppl. - 2000. - № 3. - P. 170-173.

10. Colley W.N., Schild R. E., Abajas C., Alcalde D., Aslan Z., Barrena R., Dudinov V., Khamitov I., Kjernsmo K., Lee H.J., Lee J., Lee M. G., Licandro J., Mediavilla D.M.E., Motta V., Munoz J., Oscoz A., Serra-Ricart M., Sinelnikov I., Stabell R., Teuber J., Zheleznyak A. Around the clock observations of the Q0957+561 A,B gravitationally lensed quasar // Astroph. Journal. - 2000. - Vol. 565, №1. - P.105-107.

11. Colley W.N., Schild R.E., Abajas C, Alcalde D., Aslan Z., Bikmaev I., Chavushyan V., Chinarro L., Cournoyer J.-P., Crowe R., Dudinov V., Kathinka A., Evans D., Jeon Y.-B., Goicoechea L., Golbasi O., Khamitov I., Kjernsmo K., Lee H.J., Lee J., Lee M.G., Lopez-Cruz O., Maoz D., Mediavilla E., Moffatt S., Mujica R., Nieto A.U., Oscoz A., Ofek E., Park M.-G., Purves N., Sakhibullin N., Sinelnikov I., Stabell R., Stockton A., Teuber J., Thompson R., Woo H.-S., Zheleznyak A. Around the clock observations of the Q0957+561 A,B gravitationally lensed quasar II: results for the second observing season // Astroph. J. - 2003. -Vol. 587, № 1. - P. 71-79.

12. Kravtsov V.V., Zheleznyak A.P. New SX Phe variables in the innermost region of M15 // Information Bulletin on Variable Stars. - 2003. - № 5452. - P. 1-3.

13. Vakulik V.G., Dudinov V.N., Minakov A.A., Nuritdinov S.N., Burkhonov O.А., Tsvetkova V.S., Sergeev A.V., Zheleznyak A.P., Konichek V.V., Sinelnikov I.E., Smirnov G.V. Photometric activity in the Q2237+0305 gravitational lens // Visn.

Kyiv Nat.Univ. - 2003. - Vol. 40. - P. 63-66.

14. Vakulik V.G., Zheleznyak A.P., Novikov S.B. The optical observations of MG1131+0456 // Astron. Circ. - 1990. - № 1542.

15. Zheleznyak A.P., Sergeev A.V., Konichek V.V., Burkhonov О.А., Sinelnikov I.E., Vakulik V.G., Dudinov V.N., Tsvetkova V.S. Optical monitoring of gravitationally lensed quasar SBS 1520+530 // Vіsn. Kyiv Nat. Univ. - 2003. - Vol. 40. - P. 72-76.

Результати дисертації додатково висвітлені в таких працях:

16. Dudinov V., Bliokh P., Paczynski B., Nilsen H., Schild R., Vakulik V., Zheleznyak A. et al. A program of international cooperative investigation of gravitational lens systems// Abstr. of Int. Conf. “UKRASTRO-2000”. -Kiev (Ukraine). - 2000.

17. Konichek V., Dudinov V., Zheleznyak A. et al. Adjustment of the AZT-22 telescope (Maidanak Mountain). Theoretical and technical aspects // Abstr. of Int. Conf. "ASTROECO-2002". - Terskol (Russia). - 2002.

18. Vakulik V.G., Dudinov V.N., Bliokh P.V., Zheleznyak A.P. et al. Brightness and colour variations in the Q2237+0305 gravitational lens system from observations of 1997-1999 // Abstr. of Int. Conf. "JENAM-2000". -Moscow (Russia). - 2000. -P. 185.

19. Vakulik V.G., Dudinov V.N., Zheleznyak A.P. et al. Phenomenon of gravitational lensing: investigation of variability in gravitational lens system Q2237+0305 (the Einstein Cross) // Abstr. of Int. Conf. “GRAV - 2000”. -Kharkov (Ukraine). -2000.

- P. 60.

20. Zheleznyak A.P., Dudinov V.N., Vakulik V.G. et al. Optical investigation of selected gravitational lens systems // Abstr. of Int. Conf. "JENAM - 2000". -Moscow (Russia). - 2000. - P. 185.

21. Zheleznyak A.P., Sergeev A.V., Konichek V.V. et al. Optical monitoring of Gravitationally-Lensed Quasar SBS 1520+530 // Abstr. of Int. Conf. "JENAM - 2003". -Budapest (Hungary). - 2003. - P. 36.

Анотацiя

Железняк О. П. Оптичні спостереження гравітаційних лінз. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.03.02 - астрофізика, радіоастрономія. - Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, м. Харків, 2004.

Дисертація присвячена дослідженню феномену гравітаційної лінзи на основі наземних оптичних спостережень з високим кутовим розділенням. Отримано нові фотометричні та астрометричні дані про компоненти 20 гравітаційно-лінзованих квазарів. В рамках міжнародної програми QuOC виміряно часову затримку для компонентів А,В гравітаційно-лінзованого квазару Q0957+561 (417.1050.047 діб) та оцінено величину сталої Хабла (6413кмс-1Мпк-1). Виявлено галактику-лінзу гравітаційно-лінзованого квазару SBS1520+530, виміряно її блиск та координати у спектральних смугах R, I. За даними моніторингових спостережень встановлено наявність варіацій блиску компонентів А,В Q0957+561 на інтервалах часу декілька годин та змінність блиску компонентів А,В SBS1520+530 на інтервалах часу 10 діб. Запропоновано метод пошуку подій мікролінзування тілами Галактики шляхом моніторингу блиску зірок кульових скупчень; за даними спостережень кульового зоряного скупчення М15 відкрито 28 нових змінних зірок.

Ключові слова: гравітаційна лінза, мікролінзування, якість зображення, обробка зображень, фотометрія, крива блиску.

Аннотация

Железняк А.П. Оптические наблюдения гравитационных линз. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.03.02 - астрофизика, радиоастрономия. - Харьковский национальный университет им. В.Н. Каразина, г. Харьков, 2004.

Диссертация посвящена исследованию феномена гравитационной линзы на основе наземных оптических наблюдений с высоким угловым разрешением. Изложены основы теории гравитационных линз, приведен обзор наблюдаемых проявлений гравитационных линз, приведены важнейшие астрофизические результаты, полученные на сегодня из наблюдений. Проанализированы пути оптимизации оптических наблюдений для получения высокоинформативных астрономических ПЗС-изображений с высоким угловым разрешением. Изложены современные подходы к обработке астрономических изображений, проведен сравнительный анализ работы основных алгоритмов, применяемых для фотометрии компонентов гравитационно-линзированных квазаров.

Наблюдательная часть работы выполнена в рамках международной кооперации на Майданакской высокогорной обсерватории, известной своим уникальным астроклиматом. В результате обработки серий изображений с субсекундным качеством получены новые фотометрические и астрометрические данные для компонентов 20-ти гравитационно-линзированных квазаров. В ходе проведения международной программы круглосуточного мониторинга QuOC ("Quasar Observing Consortium") измерено время задержки для компонентов А,В гравитационно-линзированного квазара Q0957+561 (417.1050.047 суток) и получена оценка величины постоянной Хаббла (6413 кмс-1Мпк-1). Обработка изображений с угловым разрешением 0.7" (FWHM) для гравитационно-линзированного квазара SBS1520+530 позволила продетектировать галактику-линзу, измерить ее координаты и блеск в спектральных полосах R, I, а также определить ее тип по классификации Хаббла. Построена модель гравитационной линзы для SBS1520+530 и оценено время задержки компонентов А, В 100 суток. По данным мониторинговых наблюдений построены кривые блеска компонентов гравитационно-линзированных квазаров - Q0957+561, SBS1520+530 и Q2237+0305. Установлено наличие вариаций блеска компонентов А, В Q0957+561 на интервалах времени в несколько часов. Обнаружена переменность блеска компонентов А, В SBS1520+530 на интервалах времени порядка 10 суток и более. Переменности блеска компонентов А-D Q2237+0305 на интервалах времени в несколько часов, значимых по сравнению с ошибками измерений, не выявлено. Предложен метод поиска событий микролинзирования телами гало Галактики путем мониторинга блеска звезд шаровых скоплений Галактики. Выполнена практическая демонстрация метода на примере наблюдений шарового звездного скопления М15, выполненных на Майданакской высокогорной обсерватории. В результате обработки серии кадров М15 с использованием алгоритма оптимального вычитания изображений, выявлено 83 объекта переменного блеска. Часть из обнаруженных объектов (55) отождествлена с известными переменными звездами, другая часть - 28 переменных звезд - обнаружена и классифицирована впервые.

Ключевые слова: гравитационная линза, микролинзирование, качество изображения, обработка изображений, фотометрия, кривая блеска.

Abstract

Zheleznyak A. P. Optical observations of gravitational lenses. - Manuscript.

Thesis for a degree of candidate of physical and mathematical sciences by speciality 01.03.02 - astrophysics, radioastronomy. - V.N. Karazin Kharkіv National University, Kharkіv, 2004.

The thesis is devoted to investigation of gravitational lens phenomenon with the use of high-resolution ground-based optical observations. The new astrometrical and photometrical data for the components of 20 gravitationally lensed quasars were obtained. In the framework of international observing program (QuOC) for round-the-clock observation of Q0957+561 the time delay for A, B components (417.1050.047 days) was determined and an estimate of Hubble constant (6413 kmс-1Мпк-1) was derived. The lensing galaxy of gravitationally-lensed quasar SBS1520+530 was detected, its coordinates and magnitude in R,I bands were measured. Using monitoring data the light curves of components of gravitationally-lensed quasars Q0957+561, SBS1520+530 and Q2237+0305 were constructed. The presence of brightness fluctuation with the time-scale of several hours for A,B components of Q0957+561 was established. The variability of SBS1520+530 А,В components with the time-scale of 10 days was detected. No hourly-scale variability for Q2237+0305 А-D components was detected. A method for the Galaxy microlensing events detection via monitoring of brightness of stars in globular clusters was proposed. The observations of the globular cluster M15 were fulfilled, as the result 28 new variable stars were discovered.

Key words: gravitational lens, microlensing, seeing, image processing, photometry, light curve.

Размещено на Allbest.ru

...