Введение к работе
Актуальность
После обнаружения крупномасштабной анизотропии реликтового фона руппой СОВЕ [19,1,20] стало актуальным более детальное исследование тлового спектра реликта на масштабах 0.1<0<5 с целью обнаружения ахаровских (доплеровских) осцилляции (/ = 240,560,860 в CDM-модели).
Іоследние теоретические исследования [13,14,18] показывают, что если удастся остаточно точно щмерпть спектр в этом диапазоне, то эти данные позволят 'предслить основные космологические параметры Вселенной. Совсем недавно Санкок и др. объявили об обнаружении первого сахаровского пика [15] по овокупньш данным последних экспериментов в области промежуточных тештабов, что подтверждает перспективность этого направления.
Прп проведении таких экспериментов исключительное значение риобретает проблема мешающих фоновых радиоизлучений. Данные о осмических помехах могут использоваться или напрямую для выделения олезного сигнала, как в эксперименте СОВЕ, или для доказательства, что ксперимент попадает по своим параметрам в галактическое "окно розрачности" (возможна комбинация того и другого).
Для выделения сигнала общепринята многочастотная методика, при зторой полезный сигнал ищется в виде линейной комбинации данных на азных частотах, для чего используется отличие радиочастотного спектра тгнала от спектров помех (впервые эффективность шюгочастотного подхода ыла продемонстрирована в эксперименте "Холод-80" на радиотелескопе АТАН-600 [28]). В этом случае необходимо иметь набор радиоизображений на їзньгх частотах, приведённых к одной и той же функции сглаживания. Такие
изображения могут быть получены либо в ходе самого эксперимента (''Холод-80", проект COBRAS/SAMBA [2]), либо из утке существуюпцгх данных, после соответствующей обработки (СОВЕ).
Для определения конфигурации "окна прозрачности' следует знать статистические свойства фоновых радиоизлучений, для непрерывных фонов — это радиочастотно-угловой спектр. Чтобы получить такой спектр, используют статистическую обработку изображений на радиочастоте, где соотвстствуюпцш фон доминирует. В проекте COBRAS/SAMBA сведены все успешные попытки получения таких спектров и восполнен пробел, связанный с сшгхротронным излучением Галактики. Для излучения галактической пыли используются данные IRAS, для синхротронного фона — данные обзоров 408 МГц [11] и 1420 МГи [16], для исследования теплового излучения Галактики используется егс корреляция с фоном пыли. Во всех случаях угловой спектр получается прямой оценкой по Фурье-образу соответствующего радиоизображения с последующим вписыванием простейшей двухпараметрической кривой (амплитуда — утловог спектральный индекс).
Отметим некоторые слабые стороны результатов, использованных в это.\ проекте:
Данные обзоров 408 МГц и 1420 МГц содержат сильные помехи, связанные со сканированием неба, что может серьёзно сказаться на достоверносп утлового спектра синхротронной компоненты [5].
Данные о пылевой компоненте, взятые из работы Готье и др. [9], показываю: относительный разброс до 103 (!) по амплитуде утлового спектра мощности найденной по разным площадкам (все — вне плоскости Галактики). Эт< ставит под сомнение надежность оценки углового спектра также и тспловоп излучения.
Использованная параметризация угловых спектров не имеет физической основы. Это означает, что правомерность экстраполяции спектра вне области угловых частот, характеризующей исходные данные, сомнительна.
В любом случае нужны новые наблюдения для улучшения качества сходных данных. Однако один этот путь не решит проблему тепловой омпоненты: этот фон не домгашруст т/где. Кроме того, для осуществления одобного проекта потребуется время, а данные по фоновым радиоизлучениям ля планирования новых экспериментов по реликту нужны уже сейчас.
В этих условиях представляется актуальным поиск физически боснованной параметризации углового спектра. Это может (хотя бы частично) сшить проблему неполноты наблюдательных данных, поскольку даст озможность использовать априорную информацию о физике того или иного злучательного процесса, а также данные о межзвездной среде, полученные амыми различными методами. Обоснованная параметризация также редоставит возможность комбинировать для построения спектра самые азнородные наблюдательные данные, которые по отдельности не несут нужной нформации. Кроме приложений, важных для исследования анизотропии сликта, такая работа может дать информацию о межзвездной среде, имеющую змостоятслыюс значение. Задача представляется тем более интересной, что все ри компоненты галактического радиоизлучения имеют один и тот же «лирический наклон углового спектра [2].
Наряду с непрерывными фоновыми радиоизлучениями для планируемого а РАТАНе-600 эксперимента по поиску анизотропии реликта требуется гочнить вклад точечных фоновых радиоисточннков. Такая оценка зависит от иаграммы направленности инструмента, поэтому для РАТАНа-600, имеющего ^стандартную апертуру, использовать уже существующие результаты ^возможно (см., например, уже ставшую классической работу Франческини и з. [8]). Кроме того, "локальный'' принцип построения оценки вклада
дискретных источников, принятый в этой работе, не позволяет учесть возможность двумерной чистки данных, как и возможность предварительной селекции площадок наблюдения.
Для планироваши эксперимента и тестирования программ обработки наблюдательных данных удобно использовать компьютерную модель эксперимента, учитывающую статистические свойства фоновых радиоизлучений и особенности инструмента. Этот подход постепенно становится стандартным [2, 3], и для постановки на радиотелескопе РАТАН-600 эксперимента следующего поколения по анизотрогаш реликтового фона предварительное компьютерное моделирование, учитывающее особенности инструмента, неизбежно.
Цель работы
Целью данной работы является:
-Оценка статистических свойств фоновых радиоизлучений с целью
определения их вклада при поиске анизотропии реликтового фона.
Построение с учетом этих данных компьютерной модели многочастотного обзора на радиотелескопе РАТАН-600.
Формулировка рекомендащш к проведению эксперимента по поиску анизотропии реликтового излучения на радиотелескопе РАТАН-600.
Научная новизна и практическая ценность
Впервые получено аналитическое выражение для утлового спектра
синхротронного излучения Галактики в предположении, что случайное
магнитное поле имеет колмогоровский спектр мощности [21, 24].
Неизвестные параметры углового спектра (амплитуда и отношение толщины
слоя к внешнему масштабу турбулентности) определены по данным
РАТАНа-Ш) (X = 7.6 см) [28] и по данным обзора 1420 МГц [5].
Впервые получено аналігпічсское выражение для углового спектра теплового галактического излучения в предположении, что флуктуации электронной плотности имеют колмогоровскнй спектр мощности [4, 15, 12]. Внешний масштаб турбулентности при известной амплитуде спектра электронной плотности [4] получен при помогли данных в линии //„ [17].
Получены уточнённые оценки пределов чувствительности РАТАНа-600,
обусловленных фоновыми радиоисточниками.
Создана компьютерная модель многочастотного обзора на радиотелескопе
РАТАН-600, включающая в себя все известные компоненты космического
радиоизлучения и учитывающая конфигурацию инструмента.
Впервые доказана принципиальная возможность наблюдения на РАТАНе-
600 сахаровских осщшляций. Сделана оценка необходимого размера области
наблюдения.
Компьютерная модель многочастотного обзора на РАТАНе-600 позволяет панировать эксперименты по глубоко.лгу обзору неба, тестировать атобеспечение по обработке данных, может применяться при ігнтерпретации ззультатов наблюдений. Параметры космических фоновых радиоизлучений и ірактеристики приёмной системы хранятся во входной базе данных модели и огут при необходимости легко модифіщироваться и дополняться.
Полученные аналитические угловые спектры гатактнческих фоновых шиоизлучешш могут быть использованы для оценки параметров межзвездной геды, например, внешнего масштаба турбулентности.
основные положения, выносимые на защиту
Методика расчета угловых спектров галактических радиоизлучений при известном пространственном спектре функции источника. Оценки угловых спектров синхротронного и теплового радиоизлучения Галактики, учитывающие физику издучательных процессов.
Оценка пределов чувствительности РАТАНа-<>00, обусловленных фоновыми радиоисточниками.
Компьютерная модель многочастотного обзора на радиотелескопе РАТАН-600, включающая в себя все известные компоненты космического радиоизлучения и учитывающая конфигурацию инструмента.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на конференции YERAC XXII, Гвадалахара, Испания, 1990; їй рабочей группе НАТО "Obscn'ational Tests of Cosmological Inflation", Дарэм, Великобритания, 1991; на Международной школе по астрофизике "D. Chalonge", Эриче, Италия, 1992; на И Международном семинаре по гравитащт и космологии им. А. Фридмана, Санкт-Петербург, 1994; на рабочей группе по ашізотроіши реликтового фона. Лез Арке, Франция, 1995; на II Международной Конференции "Астрономия и космомнкрофизика" им. А.Д. Сахарова, Москва, 1996 а также на семинара* радиоастрономического сектора САО РАН.
Структура и объём диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списке
литературы из наименований, содержит страниц текста,
рисунков, таблицы.