ИСТИНА

Пульсары, открытые почти 50 лет назад, являются одними из объектов вызывающих наиболее пристальное внимание в астрофизике. Вопросы, которые могут быть изучены при исследовании пульсаров, затрагивают многие области: релятивистская электродинамика в сильных магнитных полях магнитосфер пульсаров, поведение вещества при сверхвысоких плотностях (более чем 10^15 г/см^3 ) характерных для нейтронных звёзд и др. Более того, пульсары выполняют незаменимую роль «зондов» среды: с помощью наблюдений мы можем изучить параметры межзвёздной среды в Галактике, галактических магнитных полей, и турбулентности. Миллисекундные пульсары обладают настолько высокой стабильностью периода вращения, что становится возможным построение пульсарной шкалы времени, независимой от земных атомных шкал и сравнимой с ней по стабильности. Другим очень важным применением прецизионного хронометрирования пульсаров является поиск гравитационных волн с периодами в годы и десятки лет. Эти волны, порождённые слияниями сверхмассивных черных дыр (или также, в некоторых сценариях, реликтовые гравитационные волны оставшиеся от Ранней Вселенной) влияют на наблюдаемые при хронометрировании отклонения; ожидается, что они смогут быть обнаружены уже в ближайшее десятилетие после ввода в строй нового поколения радиотелескопов (SKA—радиотелескоп с площадью один кв. км.). Для повышения чувствительности пульсарных наблюдений к эффектам порождённым воздействием гравитационных волн, необходимо как можно более точное определение параметров пульсаров, в том числе их координат и собственных движений. Также пульсары являются важной частью фона для непрямых поисков тёмной материи—например, наблюденный экспериментами ПАМЕЛА и Ферми-ЛАТ избыток позитронов в спектре космических лучей, возникающий при высоких энергиях может быть объяснён следствием аннигиляции частиц тёмной материи или воздействием близкого к нам пульсара. Лучшее понимание работы «пульсарной машины» таким образом является необходимым условием для успешных поисков. Фундаментальная проблема может быть резюмирована следующим образом: большое количество данных поступающих от экспериментов нового поколения (РадиоАстрон, Ферми-ЛАТ) должно быть использовано оптимальным образом для значительного всестороннего улучшения нашего понимания природы пульсаров и дальнейшего их успешного применения в различных приложениях. Целью исследований является максимально полное использование данных наблюдений пульсаров в различных диапазонах длин волн для целей астрофизики, фундаментальной физики и фундаментальной астрометрии. Данная работа в основном нацелена на исследование пульсаров на различных краях электромагнитного спектра: от наблюдений в радиодиапазоне с использованием телескопов ПРАО АКЦ ФИАН (~100 МГц), телескопа в Калязине (327, 600, 1400 МГц), наблюдений космического радиоинтерферометра «РадиоАстрон» до наблюдений в диапазоне гамма-квантов высоких энергий (>100 МэВ) обсерватории Ферми-ЛАТ. Большинство из известных на сегодняшний день пульсаров (около 2000) было обнаружено в радиодиапазоне. Однако, с запуском гамма-телескопа Ферми число пульсаров наблюдаемых в гамма-диапазоне выросло с 6 до 120 и продолжает быстро увеличиваться. Более того, значительная часть этих пульсаров была обнаружена методом слепого поиска в данных и чаще всего эти пульсары являются радио-тихими. Наблюдения пульсаров в гамма-диапазоне критически важны для определения общей структуры пульсарных магнитосфер и самого механизма излучения, который, несмотря на более чем 40-летние усилия, до сих пор не может считаться точно установленным. Большое количество радио-тихих пульсаров вынуждает задаваться следующими вопросами—принадлежат ли гамма- и радиопульсары к двум различным субпопуляциям? Может ли отсутствие сигнала в радио быть объяснено тем, что конус излучения пульсара в радиодиапазоне уже? Или всё-таки все гамма-пульсары излучают и в радиодиапазоне, но мощность их излучения невелика? Для решения этих проблем был сформировано объединение “Fermi Pulsar Search Consortium” в которое вошли группы, работающие на крупнейших радиотелескопах мира--Грин Бэнк(США), Джодрелл Бэнк(Великобритания), Нансе(Франция), Паркс(Австралия), Вестерборк(Нидерланды), Эффельсберг(Германия). Несмотря на большие приложенные усилия, в настоящее время из 35 таких пульсаров радиоизлучение обнаружено лишь от 4-х ( при том один из пульсаров был обнаружен группой, не входящей в консорциум ).Поиски пульсаров этими группами в основном ведутся на более высоких частотах (стандартно, от 800 МГц) и, так как спектр пульсаров является степенным с достаточно большим индексом (-1.5), наблюдения на низкой частоте имеют определенные преимущества. Так, один из 4х пульсаров был открыт при наблюдениях на телескопе в Гаурибидануре(Индия) на частоте 34.5 Мгц. Целью проекта является поиск радиоизлучения от пульсаров считающихся радио-тихими с использованием наблюдений на низких частотах (100-300 МГц) на телескопах ПРАО АКЦ ФИАН и РТ-64 в Калязине. Как уже было сказано выше, гамма-телескоп Ферми значительно улучшил наше понимание природы гамма-пульсаров. Детальное исследование индивидуальных пульсаров позволяет ограничить модели гамма-излучения и магнитосферы--например, наблюдаемые спектры пульсаров указывают на то, что излучение происходит сравнительно далеко от поверхности, иначе гамма-кванты не смогли бы покинуть сравнительно непрозрачную для них среду. Однако, такие исследования неизбежно обладают систематической смещенностью, возникающей при наблюдении пульсаров в Галактике. Тем не менее, полные галактические популяции гамма-пульсаров могут быть исследованы при наблюдениях близких галактик, таких как БМО/ММО и М31) . Целью исследования будет понимание полных свойств популяций (до 100 000 пульсаров) в обычных галактиках и определение вклада пульсаров в полную гамма-светимость обычных галактик. Если же обычные галактики вносят значительную часть в диффузный внегалактический фон гамма-излучения, то использование особенностей спектра пульсаров позволит определить эту часть. Определение источников диффузного гамма-излучения в свою очередь имеет большое значение для широкого круга задач космологии и астрофизики. В июле 2011 на орбиту был выведен спутник РадиоАстрон. Использование метода радиоинтерферометрии с сверхдлинной базой (РСДБ) достигающей 300 000 км сделало возможным получение угловой точности измерений доходящей до 10 мкс дуги. Астрометрические наблюдения пульсаров с помощью РА являются одной из ключевым научных программ проекта. Точное определение координат методом РСДБ важно для уточнения связи опорной системы координат ICRF основанной на положении радиоисточников (квазаров) и динамической DE423, заданной положением орбиты Земли в пространстве: пульсары являются очень удобным связующим звеном между двумя этими системами. Уточнение этой связи может быть важным и для прикладных целей дальней космической навигации. Точное определение расстояний до пульсаров методом РСДБ играет большую роль в уточнении свойств межзвёздной среды, в первую очередь плотности плазмы и её распределения в Галактике. В настоящее время основным методом определения расстояния до пульсаров является так называемый метод измерения меры дисперсии—измерение задержки прихода импульсов на разных частотах, которая зависит от плотности плазмы и расстояния до пульсара. Получающаяся вырожденность между этими двумя параметрами приводит к оценке расстояния до пульсаров по измерениям меры дисперсии с погрешностью около 50%, что, для примера, вносит дальнейшие большие погрешности в измерения абсолютной светимости пульсаров в различных диапазонах. Калибровка этого метода с использованием точных измерений РСДБ позволяет значительно расширить его возможности. Улучшение знания о распределении плазмы в Галактике в свою очередь позволит улучшить наше описание галактического магнитного поля . Одним из основных методов его определения является исследование Фарадеевских мер вращения поляризации радиоисточников. В этом методе мы находим произведение плотности на силу магнитного поля, таким образом для определения силы магнитного поля необходимо как можно лучшее знание плотности плазмы. Также точное определение астрометрических параметров пульсаров важно для активно ведущихся сейчас поисков гравитационных волн методом пульсарного хронометрирования. Точное определение этих параметров уменьшает количество параметров пульсаров, которые необходимо подгонять и тем самым может в определенных условиях увеличить чувствительность метода на порядок величины. 8.Задачи научного исследования: Задачами данного исследования является: 1) Наблюдения пульсаров из числа «радио-тихих» гамма-пульсаров Ферми на низких частотах с использованием радиотелескопов ПРАО АКЦ ФИАН и РТ-64 (Калязин) для получения ограничений (нахождения) радиосигналов от них. Так как объём полученных сырых данных будет весьма значителен (несколько сотен гигабайт), необходимо создать пакет программ для поиска пульсарного (периодического и отдельных сильных импульсов) сигнала в массивах наблюдений с учётом сильной зашумленности и сильного влияния межзвёздной среды на низких частотах. 2) Использование сверхвысокой чувствительности космического РСДБ эксперимента РадиоАстрон для определения астрометрических параметров ряда пульсаров (уточнение координат, расстояний, собственных движений). Дальнейшее использование улучшенных координат для уточнения связи между динамической системой координат DE423 и системой координат ICRF. Оценка степени улучшения чувствительности пульсаров как детекторов гравитационных волн при фиксировании точных значений астрометрических параметров. 3) Исследование полной популяции гамма-пульсаров в близлежащих галактиках (ММО, БМО, М31) по данным гамма-телескопа Ферми. Построение спектров этих протяженных объектов и анализ с целью поиска особенностей, которые могут быть вызваны популяциями пульсаров в этих объектах. Для сравнения полученных наблюдательных данных и предсказаний теории необходимо построить ожидаемые гамма-спектры этих галактик используя методы популяционного синтеза и современные представления об эффективности превращения вращательной энергии пульсара в гамма-излучение и в ускорение релятивистских лептонов. Дальнейшими задачами являются определение (или ограничение) эффективности из наблюдений и определение вклада популяций гамма-пульсаров в полную гамма-светимость галактик.

За отчетный период был создан программный пакет PulsarFinder, предназначенный для поиска периодических и сильных индивидуальных сигналов от пульсаров в массиве данных наблюдений на телескопе Большая сканирующая антенна (БСА) Пущинской радиоастрономической обсерватории (ПРАО АКЦ ФИАН). Важной особенностью созданного пакета является оптимизация для параллельных вычислений с использованием многоядерных процессоров, что является необходимым из-за больших объемов обрабатываемой информации – десятки и сотни Гб для одного пульсара. В качестве первой задачи для созданного пакета был выбран поиск радио-излучения от гамма-пульсаров, считающихся радио-тихими. Были накоплены данные для 6 радио-тихих пульсаров (PSR J0007+7303, PSR J0357+3205, PSR J0622+3749, PSR J1836+5925, PSR J1957+5033, PSR J2055+2539), а также для двух пульсаров ( PSR J2030+3641, PSR J2032+4127), слабое излучение которых было обнаружено в ходе поиска на больших телескопах, входящих в Fermi LAT Pulsar Search Consortium. Периодический сигнал пока не был обнаружен, что может быть связано с необходимостью проводить еще более широкий скан по трехмерному пространству параметров P,Pdot,DM (период, его первая производная, мера дисперсии) или с реальным отсутствием сигнала от этих источников на данном уровне чувствительности. В ходе поиска сильных индивидуальных сигналов, впервые были обнаружены гигантские импульсы от пульсара PSR J2032+4127. В данный момент результаты готовятся к публикации. За отчетный период было проведено исследование протяженного гамма-источника окружающего галактику М31, указания на существование которого были получены в прошлом году. Наиболее реалистичным объяснением существования такого протяженного источника (радиусом в десятки кпк) является гало космических лучей, образовавшихся в галактике за время её жизни и удерживаемых в непосредственной близости от неё в сравнительно сильных (~0.01 мкГс) турбулентных полях. К сожалению, этот источник является очень слабым--общее количество фотонов, накопленных за 6 лет из круга площадью в ~30 кв. градусов, лишь немногим превышает 300. Такая небольшая статистика не позволяет детально изучить спектр гало с целью поиска каких-нибудь особенностей, например, вызванных наличием значительной популяции пульсаров на больших расстояниях от галактики. Пока полученный спектр значимо не отличается от простого степенного и не демонстрирует существования никаких особенностей. В настоящий момент результаты исследования посланы в журнал. Также за отчетный период был проведен поиск кратковременной переменности (микровспышек) у ярких гамма-пульсаров Вела и Геминга в данных инструмента Fermi-LAT. Было обнаружено большое количество (несколько десятков) кластеров событий на временных масштабах 1-10 секунд. Сравнение с данными большой симуляции наблюдений показали, что это количество полностью совместно с ожиданием и объясняется лишь случайной кластеризацией фотонов от источников с большим потоком – эти гамма-пульсары не обладают переменностью на столь коротких временных интервалах. Ожидаемые направления дальнейшего использования полученных за отчетный период результатов: Программный пакет PulsarFinder, предназначенный для поиска периодических и сильных индивидуальных сигналов от пульсаров в массиве данных наблюдений на телескопе БСА ПРАО АКЦ ФИАН, будет далее использован для поиска индивидуальных сигналов от известных пульсаров, наблюдающихся в Пущинской радиоастрономической обсерватории в дополнение к своим основным задачам слепого поиска. Также он будет использован для поиска радио-транзиентов, например, принадлежащих к новому классу быстрых радио-всплесков(Fast Radio Bursts). Ранее из-за ограничений по вычислительной мощности поиск таких индивидуальных сигналов мог проводиться лишь для ограниченного числа пульсаров и для небольшого количества сеансов. Перебор по мерам дисперсии же вообще был практически невозможен. Использование технологии параллельных вычислений на многоядерных графических процессорах позволяет сделать это рутинной процедурой обработки, которой подвергаются все получаемые данные—для примера при нынешней скорости накопления данных в 200 Мб/мин перебор даже по 100 величинам мер дисперсии займёт 3 минуты на выделенном компьютере с мощным 4-х ядерным процессором, что делает невозможным обработку данных в реальном времени. Использование даже слабой графической карты ноутбука (96 ядер на карте) уменьшает эту величину в три раза, а замена на выделенный компьютер с мощной графической картой (2400 ядер на процессор, до двух процессоров на карте) -- еще на порядок, что позволяет анализировать данные даже если используется режим потокового накопления, где скорость накопления выше ~Гб/мин. Алгоритмы и подходы, разработанные в ходе исследования гало галактики М31 могут быть использованы в дальнейшем для исследования в гамма-диапазоне других близких нормальных галактик, например, таких как Магеллановы облака. Исследования пространственно-временной кластеризации гамма-квантов в данных Fermi-LAT будут продолжены с целью изучения кратковременной переменности других классов источников, как, например, активных ядер галактик, а также для поиска новых транзиентных источников.