Исследование гравитационно-линзовой системы QSO2237+0305: Крест Эйнштейна

За последние десятилетия гравитационное линзирование перестало быть просто одним из тестов общей теории относительности. В настоящее время оно является инструментом широкой области астрофизических приложений, от космологии до исследования компактных объектов в нашей и других галактиках.

Эффект гравитационного линзирования основан на преломлении световых лучей в поле тяготения массивных тел [1]. Преломление луча света может быть рассчитано по формулам классической механики [2]. Впервые угол отклонения луча света для Солнца был получен в работе немецкого астронома Зольднера [3]. Однако его точное значение предсказано в рамках общей теории относительности (ОТО) А. Эйнштейна [4] и подтверждено экспериментально во время солнечного затмения 1919 года [5]. На возможность наблюдения эффекта гравитационной линзы, порождаемого протяженными объектами, указал Цвикки [6, 7].

Спустя 42 года после предсказания Цвикки была открыта первая гравитационная линза QS00951+561 [8]. Через несколько месяцев К. Чанг и С. Рефсдал, исследуя природу переменности компонентов QS00951+561, высказали предположение о том, что’звезды линзи-рующей галактики, встречающиеся на пути распространения световых лучей, могут приводить к усилению потоков изображений квазара продолжительностью до одного года [9]. Впоследствии Р. Готт показал, что гало, состоящее из звезд с массами (4 • Ю-4 — 0.1)М©может приводить к вариациям интенсивностей изображений квазаров на временных масштабах от 1 года до 14 лет [10] и только долговременные наблюдения гравитационно-линзовых систем дадут ответ на вопрос о массах звезд линзирующих галактик. Первые численные расчеты по оценке эффекта на примере двойного квазара QS00951+561 были сделаны в работе [11]. Через несколько лет, в 1989 году, появились первые свидетельства микролинзирования квазаров: М. Ирвин показал, что вариации интенсивности компонента, А квадрупольной гравитационной линзы QS02237+0305 («Крест Эйнштейна»), не могут быть объяснены только переменностью самого квазара [12]. Наблюдаемые вариации могут быть вызваны линзированием на маломассивных звездах главной последовательности. Из продолжительности микролинзовых событий была получена оценка размера квазара ~ 1014 см [13].

На сегодняшний день открыто порядка 80 гравитационных линз, большинство из которых двойные гравитационные линзы, их около 46. Квадрупольных гравитационных линз открыто около 20, колец Эйнштейна — 15. Очевидно, что более глубокие обзоры неба, такие как SLOAN Digital Sky Survey, увеличат число кандидатов в гравитационные линзы. Успешно продолжается программа наблюдений в радиодиапазоне Cosmic Lens All-Sky Survey (CLASS), разработанная как продолжение Jodrell Bank/VLA Astrometric Survey (JVAS) [14]. Глубокие обзоры неба получены также в инфракрасном диапазоне в результате работы программы Great Observatories Origins Deep Survey (GOODS).

К настоящему моменту на обширном наблюдательном материале, разработаны критерии позволяющие идентифицировать объект как гравитационную линзу [15, 16, 17, 18].

• два или больше точечных изображений с похожими цветами;

• красные смещения компонентов изображений одинаковы или очень похожи;

• спектры компонентов изображений одинаковы или очень похожи;

• присутствие галактики-линзы между изображениями с измеренным красным смещением, намного меньшим красного смещения квазара;

• при наличии собственной переменности квазара потоки, измеренные от изображений квазара, изменяются одинаковым образом со смещением во времени, равным времени запаздывания.

Каждая открытая к настоящему времени гравитационная линза подвергается детальному исследованию, которое включает в себя программы долговременного мониторинга.

Наибольший интерес представляет информация о яркости изображений, изменении яркости во времени и геометрии объекта. Надежность, достоверность интерпретации результатов зависят в основном от астрометрической и фотометрической точности применяемых методов. Большинство отождествленных на сегодняшний день систем и кандидатов в гравитационные линзы представляют собой достаточно сложные для обработки объекты. Изображения гравитационных линз состоят преимущественно из нескольких перекрывающихся точечных источников, изображений квазара. В случае гравитационной линзы QS02237+0305, которой посвящена данная работа, изображения квазара накладываются на изображение самого преломляющего тела. По этой причине фотометрия изображений QS02237+0305 представляет наиболее трудный случай.

Наблюдения QS02237+0305 ведутся на 1.5-м телескопе Майданакской обсерватории с 1995 года и к настоящему моменту накоплен большой массив данных, требующий обработки и анализа результатов. Поскольку существующие методы фотометрической обработки системы имеют свои ограничения и, учитывая условия наблюдений на данном телескопе, не всегда могут быть использованы для фотометрии тесно расположенных компонентов системы, нами была поставлена задача разработки и применения метода прецизионной фотометрии, позволяющего производить фотометрические измерения объектов с несколькими перекрывающимися звездообразными источниками, накладывающимися на фон галактики.

Математическую модель изображения объекта, полученного на наземном телескопе, искаженного вследствие ограниченной разрешающей способности прибора и турбулентности атмосферы, можно выразить через уравнение свертки t*z)(x, y) = u (x, y), (1) в котором z (x, y) — неизвестное распределение интенсивности объектаи (х, у) — наблюдаемое распределениеt (x, у) — функция рассеяния точки (ФРТ).

Пусть наблюдательные данные получены с ошибкой о tot = \и—где й — неизвестное истинное распределение интенсивностии — наблюдаемое распределение интенсивности. Проблема восстановления изображения, полученного на наземном телескопе, заключается в том, чтобы по наблюдаемому размытому изображению и (х, у), а также по заданной функции рассеяния точки t (x, y) найти по возможности более полные характеристики исходного объекта z (x, у). Данная задача относится к классу некорректно поставленных обратных задач [19, 20, 21].

Исходя из имеющейся об объекте априорной информации самого общего характера, точечности изображений квазара и гладкости распределения интенсивности линзирующей галактики, нахождение исходного распределения интенсивности объекта z (x, y) сводится к решению интегрального уравнения (1) на классе функций с сингулярностями [22]. Для осуществления прецизионной фотометрии компонентов квазара искомое решение необходимо разделить на две составляющие: составляющую, соответствующую галактике и составляющую, описывающую компоненты квазара.

Богатый наблюдательный материал, полученный с 2001 по 2003гг., позволил разработать метод прецизионной фотометрии компонентов гравитационной линзы QS02237+0305 и отладить поточную процедуру обработки данных.

В работе исследуются особенности метода, систематические ошибки, проводится сравнение с другими методами, а также сравнение результатов с данными группы OGLE за тот же наблюдательный период.

Из сказанного видна острота и актуальность проблемы фотометрии объектов со сложной структурой, необходимость разработки новых методов.

Цель диссертации. Основными целями диссертации явились:

1. Получение новых наблюдательных данных по переменности компонентов гравитационно-линзовой системы QS02237-I-0305 в течение 2001;2003гг.

2. Разработка нового метода прецизионной фотометрии тесно расположенных звездообразных объектов на фоне галактики. Типичным примером данного класса объектов является гравитационно-линзовая система QS02237+0305, состоящая из четырех компонентов квазара, расположенных в центральной части балджа спиральной галактики. (Расстояние между компонентами меньше 2″).

3. Использование регуляризирующих алгоритмов для решения задачи восстановления изображений QS02237-I-0305. Использование априорной информации в целях прецизионной фотометрии компонентов гравитационно-линзовой системы. Исследование устойчивости метода, систематических ошибок, зависимости результатов от качества изображения. Сравнение с существующими методами фотометрии компонентов системы.

4. Адаптация алгоритма для поточной обработки данных, получаемых во время программ долговременного мониторинга гравитационно-линзовой системы. Разработка удобного интерфейса.

5. Фотометрическая обработка наблюдательных данных, полученных за период 2001 -2003гг. в фильтрах V, R, и I новым методом. Анализ вариаций блеска и цвета компонентов гравитационно-линзовой системы QS02237+0305.

Краткое содержание диссертации. В первой главе диссертации сформулированы основные задачи долговременного мониторинга гравитационно-линзовых систем на крупных наземных телескопах. Обоснована необходимость планомерных наблюдений и повышения точности фотометрической обработки данных с целью исследования переменности компонентов, анализа поведения гравитационно-линзовых систем и последующей интерпретации результатов. Рассматриваются уже существующие методы и подчеркивается актуальность разработки новых алгоритмов прецизионной фотометрии звездообразных тесно расположенных источников на фоне галактики.

Во второй главе приведены основные этапы предварительной обработки данных, необходимые для осуществления успешных фотометрических измерений. Описан процесс калибровки данных. Подробно рассмотрены возможности использования различных моделей функции рассеяния точки.

В третьей главе диссертации описан новый метод прецизионной фотометрии гравитационно-линзовых систем с двухкомпонент-ной структурой, перекрывающиеся точечные источники на фоне линзирующей галактики, видимой в оптическом диапазоне и приводящей к неодинаковому сдвигу в определении потоков изображений квазара. Предлагается адаптация алгоритма для поточной обработки данных, получаемых во время долговременных программ мониторинга.

В четвертой главе представлены результаты применения нового метода прецизионной фотометрии к фотометрии компонентов гравитационно-линзовой системы QS02237+0305, полученных за 2001 -2003 наблюдательный период на 1.5-м телескопе Майданакской обсерватории с высоким угловым разрешением.

В пятой главе проводится анализ переменности компонентов гравитационной линзы QS02237+0305 на основе данных, полученных в диссертации, сравнение результатов с ранее опубликованными.

Научная новизна работы.

В диссертации разработан новый метод прецизионной фотометрии звездообразных объектов на фоне галактики.

В работе использованы регуляризирующие алгоритмы для решения задачи восстановления изображений QS02237+0305. Показано, что модифицированные алгоритмы регуляризации могут быть успешно использованы для фотометрической обработки тесно расположенных звездообразных точечных источников на иррегулярном фоне галактики.

Прецизионная фотометрия компонентов гравитационно-линзовой системы осуществлялась с использованием всей имеющейся об объекте априорной информации. Предположение о близости распределения интенсивности в галактике к некоторому аналитическому профилю позволило успешно восстановить численную модель галактики, наиболее адекватно описывающую реальное распределение интенсивности в галактике. Использование численной модели галактики при фотометрической обработке данных, позволило уменьшить систематические ошибки, вносимые неадекватной моделью линзирующей галактики.

Получены новые уникальные данные по переменности компонентов гравитационной-линзовой системы QS02237+0305. Получены новые данные многоцветной фотометрии системы.

Практическая ценность работы.

Прежде всего представляет интерес сама методика прецизионной фотометрии, разработанная для получения кривых блеска квадруполь-ной гравитационной линзы QS02237+0305. Данная методика может быть применена к классу объектов, фотометрические измерения которых затруднены вследствие тесного расположения звездообразных источников и присутствия иррегулярного фона, дополнительный вклад которого в компоненты системы неодинаков и не может быть оценен с применением аналитической модели линзирующей галактики.

При разработке методики фотометрии были учтены особенности получения изображений на наземном телескопе, например, такие как плохое ведение телескопа, приводящее к вытягиванию изображений объектов. Отлажена процедура поточной обработки данных, которая может быть использована для программ мониторинга в реальном времени.

Весьма перспективна возможность детектирования предложенным методом слабых в оптическом диапазоне линзирующих галактик с целью дальнейшего их исследования, для фотометрии звездных скоплений и звездообразных объектов в галактиках, центральных областей шаровых скоплений в Галактике.

Апробация результатов. Основные результаты, полученные в диссертации были доложены на семинарах и конференциях:

Международной конференции «Gravitational lensing: a unique tool for cosmology» (Prance, Aussois, Jan. 5−11, 2003);

Международной конференции «Hyperbolic equation in cosmology» (Isaac Newton Institute for Mathematical Sciences, Cambridge, June 2228, 2003);

Международном симпозиуме «Inverse Problems in Engineering Mechanics» (Japan, Nagano City, February 18−21, 2003);

Семинаре ANGLES (Astrophysics Network for Galaxy Lensing Studies) (Germany, Bonn, April 5−6, 2004);

Всероссийской астрономической конференции BAK-2004 «Горизонты Вселенной» (МГУ, ГАИШ, 3−10 июня 2004);

Международном симпозиуме IAU225 «Impact of gravitational lensing on cosmology» (Switzerland, Lausanne, Jule 19−23, 2004);

Международной конференции «Astrophysics and cosmology after GamowTheory and Observations» (GMIC'100, Odessa, August 8−14, 2004).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ (из них 4 — статьи в журналах и трудах конференций, 4 — опубликованы в тезисах конференций). Ссылки на работы приведены в списке литературы.

Результаты, выносимые на защиту.

1. Разработанный в диссертации новый метод прецизионной фотометрии звездообразных объектов на фоне иррегулярной галактики. Метод основан на применении регуляризирующих алгоритмов при решении некорректных задач астрофизики. Модификация регуляризирующего алгоритма, основанная на предположении о близости распределения интенсивности в галактике к некоторому аналитическому профилю, позволила успешно восстановить численную модель галактики, наиболее адекватно описывающую реальное распределение интенсивности в галактике-линзе.

2. Результаты фотометрической обработки уникальных наблюдательных данных QS02237+0305, полученных на 1.5-м телескопе Майданакской обсерватории с высоким угловым разрешением в 2001 — 2003гг.

3. Анализ полученных данных по переменности компонентов квазара гравитационно-линзовой системы QS02237+0305. Результаты многоцветной фотометрии дополнены новыми данными. По результатам многоцветной фотометрии, полученных в диссертации, независимо подтверждено отличие закона поглощения в линзирующей галактике от закона поглощения в Галактике. Сравнение результатов фотометрии с результатами фотометрии других программ мониторинга системы показало, что новый метод прецизионной фотометрии может успешно применяться в дальнейшем для осуществления фотометрических измерений компонентов системы.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Koptelova Е., Shimanovskaya Е., Artamonov В., Sazhin М., Yago-la A., Bruevich V., Burkhonov О. «Image reconstruction technique and optical monitoring of the QS02237+0305 from Maidanak Observatory in 2002;2003» MNRAS 2004 (http://www.eproof.techbooks.com/cgi-bin/al?aid=11711io3285UJve0157iE).

2. Коптелова E.A., Шимановская E.B., Артамонов Б. П., Ягола А. Г. «Двухступенчатый алгоритм восстановления гравитационной линзы QS02237+0305» Астрон. журн. 2004 Т.81. №.10. С. 909.

3. Yagola A., Artamonov В., Belokurov V., Koptelova Е., Shimanovskaya Е. «A Priori Information in Image Reconstruction» //In book «Inverse Problems in Engineering Mechanics IV: International Symposium on Inverse Problems in Engineering Mechanics (ISIP 2003)», Nagano, Japan. Elsevier Science Ltd, Eds. M. Tanaka, P. 477−484.

4. Koptelova E., Shimanovskaya E., Artamonov В., Belokurov V., Sazhin M., Yagola A. «Reconstructing images of gravitational lenses with regularizing algorithms» «Gravitational lensing: a unique tool for cosmology» //(Proceedings of the meeting), Aussois, Jan. 5−11, 2003, ASP Conference Series, Vol. CS-326, Eds. Valls-Gabaud D. and Kneib J.-P.

В заключение автор хотела бы выразить искреннюю благодарность научному руководителю доктору физико-математических наук Сажину Михаилу Васильевичу, доктору физико-математических наук, профессору Яголе Анатолию Григорьевичу. Автор от всей души благодарит руководителя Майданакской лаборатории Государственного астрономического института им. Штернберга Артамонова Бориса Павловичаза постоянное внимание к работе, помощь и совместную работу в дружеской, творческой атмосфере, за предоставленные для выполнения данной работы материалы наблюдений и рабочее место в отделе Майданакской лаборатории. Автор также хотела бы выразить благодарность группе наблюдателей Майданакской лаборатории, Бруевичу Василию и Гусеву Александру. Данная работа была бы невозможна без опыта и поддержки Елены Шимановской и Василия Белокурова. Автор от всей души благодарит коллектив Майданакской лаборатории, свою семью и друзей за поддержку и понимание.

Заключение

.

Фотометрия гравитационно-линзовых систем представляет собой довольно непростую задачу вследствие их сложной пространственной структуры [63, 55, 114]. Для корректной фотометрии данного класса объектов недостаточны хорошие условия наблюдений и мощные телескопы, необходимы специальные алгоритмы для проведения фотометрических измерений, позволяющие получать несмещенные оценки фотометрии компонентов гравитационно-линзовой системы. Кроме этого, хорошо разрешенные кривые блеска компонентов системы, построенные на основе фотометрически однородных данных являются неисчерпаемым источником информации о фотометрической активности системы.

К моменту открытия гравитационных линз стало очевидным, что существующие методы фотометрии не всегда могут быть применены. Одним из таких объектов, вызывающих сложности при наблюдении и фотометрической обработке является гравитационная линза QS02237+0305 [30]. Тесная структура QS02237+0305 с «подстилающей «галактикой приводит к затруднениям при фотометрии и, как следствие, плохому согласию результатов различных программ мониторинга и даже результатов обработки одних и тех же данных различными методами.

В диссертации разработан метод фотометрической обработки изображений гравитационно-линзовой системы QS02237+0305, полученных в режиме коротких экспозиций, основанный на алгоритме регуляризации [19, 20, 21]. Приводится сравнение с традиционным методом CLEAN, адаптированным специально для обработки изображений QS02237-I-0305, полученных в результате мониторинга системы в 1991;1994гг. на Скандинавском оптическом телескопе [122, 120]. Результаты сравнения показали, что предлагаемый в настоящей работе алгоритм менее чувствителен к качеству изображений и приводит к меньшим систематическим ошибкам вследствие использования более адекватной модели галактики. В алгоритме CLEAN для описания галактики используется аналитическая модель де Вакулера, которая, как показано на рис. 4.1, не отражает структурных особенностей спиральной галактики, вследствие чего приводит к смещенным оценкам фотометрии компонентов системы. Все расчеты были выполнены с использованием численной модели галактики, полученной на основе модифицированного алгоритма регуляризации в предположении близости распределения интенсивности в галактике к аналитическому профилю [98, 99], который хорошо описывает балдж [122], но не бар галактики. Расчеты, выполненные методом CLEAN и разработанным в диссертации алгоритмом показали, что использование аналитической модели может приводить к систематическим ошибкам до 0.04т для компонентов, А и В и до 0.10т для компонентов С и D системы, проецирующихся на область бара галактики 2237+0305. Алгоритм CLEAN не позволяет производить корректную фотометрию компонентов квазара при качестве изображений, характеризуемом величиной FWHM, хуже 0.9″, так как приводит к ошибкам фотометрии, которые составляют 0.04 — 0.12т для слабых компонентов В и D системы, при этом их положения в результате работы алгоритма оказываются смещенными к ядру галактики. Фотометрические оценки предлагаемого метода меньше зависят от качества изображений и находятся в диапазоне 0.02 — 0.08т для слабых компонентов при значении FWHM~0.8″ .

Таким образом, адекватная численная модель линзирующей галактики, полученная для изображения с высоким отношением сигнала к шуму, способна отразить такие структуры в галактике, которые нельзя описать аналитической моделью. Наиболее чувствительными к выбору модели галактики оказываются фотометрические оценки компонентов С и D, вследствие их расположения вдоль бара галактики. Следует отметить также, что и численную модель галактики можно улучшить, используя для ее получения изображения с более высоким отношением сигнала к шуму, что в нашем случае достигается суммированием кадров.

Поскольку задача поиска численной модели галактики, вовлекает большое число свободных параметров (в нашем случае число свободных параметров составляло 4108 при размере обрабатываемого кадра 64×64 пикселя), задача обработки данных одного наблюдательного сезона потребовала бы очень много времени. Для сокращения времени фотометрических измерений в данной работе предлагается разбить процесс на два этапа. На первом этапе для каждого наблюдательного сезона, для каждого фильтра рассчитывается численная модель галактики, полученная для суммарного кадра с высоким отношением к шуму (в нашем случае отношение сигнала к шуму составляло ~ 500ADU для каждого фильтра). На втором этапе численная модель галактики используется как известная функция для обработки данных сезона наблюдений. Поскольку каждую наблюдательную ночь объект снимали сериями, ошибки фотометрии определялись как среднеквадратичные отклонения измеренной звездной величины от среднего по серии, деленное на корень квадратный из числа кадров в каждой серии.

Для реализации алгоритма был разработан пакет программ на языке IDL (Interactive Data Language). Описание пакета программ и интерфейса приведено в приложении В.

На основе разработанного метода измерены звездные величины четырех компонентов квазара в трех фильтрах V, R, I за наблюдательные сезоны 2001, 2002 и 2003гг. Наиболее обширный наблюдательный материал был получен в фильтре R — в работе приводятся значения звездных величин для 79 дат. Результаты наблюдений в полосе R были опубликованы в работе [156] и приведены в таблицах А.2, А. З. Результаты фотометрических измерений, полученные в диссертации, были объединены с данными предыдущих лет, опубликованными в работе [82]. На рис. 5.10 приведены обобщенные кривые блеска компонентов квазара QS02237+0305 по данным работы [82], объединенные с результатами, полученными в диссертации.

16,5.

17.0.

I I I I к A В.

• С x D r.

D 73 D c cn CO E.

17.5 a / 4 it? у.

18.0.

18.5 x x X.

19.0 I A x X AL.

1500 2000.

J.D.hel.-2 450 000.

2500 X.

Рис 5.10: Обобщенные кривые блеска четырех компонентов квазара QS02237+0305, построенные по результатам работы [82] и настоящей работы. Все наблюдения были выполнены на Майданакской обсерватории за период с 1997 по 2003 годы.

Как видно из рис. 5.10, наиболее заметные события в системе в течение последних лет — значительное на 1.2т ослабление блеска компонента В, начавшееся в конце 1997 года. В 2000 году компонент В стал самым слабым компонентом системы.

При выполнении наблюдательных программ основное внимание уделяется длительному мониторингу системы с целью получения хорошо разрешенных кривых блеска системы для исследования событий микролинзироавния. Ярким примером является программа мониторинга группы OGLE, осуществляющая наблюдения QS02237+0305 с мая по декабрь в фильтре V. Многоцветная фотометрия выполняется относительно редко [63, 120, 121, 82]. Результаты многоцветной фотометрии предыдущих лет дополнены новыми данными, 41 дата в фильтре V и 16 дат в фильтре I (табл. А.4, А.5, А.6, А.7, А.8). В таблице 5.5 приводятся относительные цвета (V-I) компонентов по данным работ [63, 118, 55, 121, 82] и на основе результатов, полученных в диссертации. В отличие от абсолютных цветов, оценки относительных цветов менее чувствительны к различиям используемых фотометрических систем и их можно использовать для качественного анализа и сравнения даже при отличающихся цветовых базах. Приведенные данные убедительно свидетельствуют, что в системе изменяется не только блеск компонентов, но и их цвет.

Сформулируем основные результаты работы:

1. В соответствии с поставленной задачей, разработан алгоритм, позволяющий проводить фотометрические измерения компонентов системы, состоящей из перекрывающихся точечных источников, накладывающихся на фон галактики с большим градиентом яркости.

2. Проведено исследование зависимости результатов фотометрии от выбора функции рассеяния точки и привлекаемой априорной информации, исследование систематических ошибок и зависимости результатов от качества исследуемого изображения.

3. Выполнено сравнение результатов с традиционным методом CLEAN. Оценены возможные систематические ошибки, вносимые неадекватной моделью линзирующей галактики.

4. Выполнено сравнение результатов, полученных в данной работе, с результатами фотометрии группы OGLE в фильтре V, полученными за тот же наблюдательный период. Результаты сравнений показали, что измерения находятся в хорошем согласии и на рассматриваемом интервале времени разработанная методика позволила отразить общее поведение кривых блеска системы.

5. Существующие кривые блеска компонентов системы в полосе R дополнены новыми данными для 90 дат, с 8 августа 2001 года по 27 ноября 2003 года. Отмечено снижение, сменившееся подъемом компонента, А 0.2т), заметное даже на таком сравнительно небольшом промежутке времени. Конец кривой блеска компонента, А говорит о наметившемся повторном уменьшении яркости, которое подтверждается наблюдениями OGLE за 2004 год в фильтре V.

6. Существующие данные многоцветной фотометрии дополнены новыми данными. 41 датой в фильтре V и 15 датами в фильтре I за период с 8 августа 2001 года по 27 ноября 2003 года. Результаты фотометрии объединены с результатами, полученными в результате предыдущих наблюдений другими группами.

7. Проведен анализ вариаций блеска и цвета компонентов системы на основе данных, полученных в диссертации и ранее опубликованных результатов фотометрической обработки компонентов системы.