maxim_voronkov (maxim_voronkov) wrote,
maxim_voronkov
maxim_voronkov

Categories:

О первом FRB на ASKAP

Наконец-то вышел пресс-релиз о первом быстром радиовсплеске (Fast Radio Burst или FRB), обнаруженном на ASKAP, нашем западноавстралийском телескопе, так что теперь можно эту новость прокомментировать. Саму статью можно посмотреть тут.



Фото 1. Профиль и динамический спектр первого FRB задетектированного на ASKAP (FRB170107), картинка из статьи Bannister et al. (2017) по ссылке на пресс-релиз CSIRO.

Мои комментарии под катом, а ещё можно посмотреть вот это видео (на английском).

Original press-release info (in English) can be found here or check the paper which is now published. Also, here is a nice popular article by K. Bannister and J.-P. Macquart.


Быстрые радиовсплески - одна из загадок в современной радиоастрономии. В общем, пока их известно немногим больше двадцати, и, как часто шутят, возможных объяснений больше, чем известно событий. Они очень короткие (несколько миллисекунд), поэтому их достаточно сложно зарегистрировать и исследовать. Хотя, как ожидается, даже весьма яркие всплески происходят достаточно часто, не зная заранее куда смотреть, в регистрации каждого нового всплеска есть некий элемент везения. Стоит заметить, что по крайней мере один быстрый радиовсплеск повторяется время от времени с нерегулярными интервалами (и, конечно же, он, на настоящий момент, лучше исследован), но пока не ясно, насколько повторение является типичным свойством, а также не отдельный ли это класс явлений. Большинство известных быстрых радиовсплесков были найдены в архивных данных, главным образом с нашего радиотелескопа в Парксе. Но Парксом всё не ограничивается - ряд других радиотелескопов тоже их регистрировали, а теперь вот и ASKAP официально в этот список добавился.

flyseye1.jpg
Фото 2. ASKAP в режиме "глаза мухи". Антенны наблюдают немного разные направления, что проще всего заметить по немного различному положению тени от приемника. Наиболее выделяющаяся антенна (антенна 1), на самом деле не наблюдала вообще.


Про ASKAP, наш западноавстралийский телескоп, я уже много раз писал. Его основная особенность - это большое поле зрения, около 30 квадратных градусов, которое достигается за счет нескольких диаграмм направленности или лучей, формируемых с помощью цифровой аппаратуры (то есть мы можем управлять куда их направить в пределах поля зрения инструмента). Для полноты описания, стоит отметить, что ASKAP позволяет наблюдения на частотах чуть ниже, чем типично для телескопа этого диапазона из-за низкого уровня радиопомех на удалённой от цивилизации обсерватории. Также, по крайней мере в теории, ожидается лучшее качество изображений. Всё остальное, ATCA, другой наш радиоинтерферометр, который находится рядом с Наррабрай, сделает лучше. Но для поиска коротких событий, или, как говорят, транзиентов, когда мы не знаем заранее куда смотреть, поле зрения имеет первостепенное значение. Впрочем, и тут может быть не все так просто, так как статистика быстрых радиовсплесков ещё недостаточно изучена. Если окажется, что есть очень много слабых всплесков, то большая чувствительность может компенсировать недостаток поля зрения. Но, пока мы гоняемся за яркими всплесками, большое поле зрения вроде как предпочтительнее. Поэтому, с моей точки зрения, этот результат представляет особый интерес, как работа, которая использует ключевую особенность ASKAP, то есть ради чего он, собственно, и был построен.


flyseye2.jpg
Фото 3. ASKAP в режиме "глаза мухи".


Обычно транзиенты делят на быстрые и медленные, в зависимости от того, надо ли учитывать дисперсию или ей можно пренебречь. Дисперсия возникает из-за того, что в космосе не абсолютный вакуум, а в плазме радиоволны с различными частотами распространяются с немного разной скоростью. Это приводит к замыванию всплеска, если не делать коррекцию, так как задержка во времени регистрации всплеска для верхней и нижней границы принимаемой полосы частот оказывается сравнимой с продолжительностью всплеска. Дисперсия заметно усложняет поиск таких быстрых всплесков, так как её приходится подбирать тем или иным способом в процессе поиска, чтобы избежать потери чувствительности. Величина эффекта определяется  так называемой мерой дисперсии, которая характеризует количество свободных электронов между наблюдателем и источником. Кстати, её величина является одним из свидетельств в пользу внегалактической природы быстрых радиовсплесков, так как объекты нашей Галактики для которых можно её измерить (например пульсары) имеют меньшие значения меры дисперсии.

flyseye3.jpg
Фото 4. ASKAP в режиме "глаза мухи". Антенны наблюдают немного разные направления, что проще всего заметить по немного различному положению тени от приемника. Наиболее выделяющаяся антенна (антенна 1), на самом деле не наблюдала вообще.


Одной из ключевых научных задач ASKAP, то есть задач которые определяли требования на стадии разработки телескопа, является проект CRAFT (Commensal Real-time ASKAP Fast Transients survey), который как раз и посвящен быстрым транзиентам, вроде рассматриваемых радиовсплесков. Однако первоначальные планы оказались, как часто бывает, сильно отличными от того, что было реализовано. Изначально планировалось использовать режим телескопа, где сигналы с каждой из антенн складываются с соответствующими фазовыми сдвигами (или, как говорят, фазируются), чтобы имитировать сигнал с одиночной антенны большего диаметра. Это тот же самый режим, который нужен для того, чтобы использовать ASKAP в качестве станции для радиоинтерферометрии со сверх-длинной базой (РСДБ). Он пока не готов. Кроме того, так как других радиотелескопов этого частотного диапазона с подобным полем зрения больше нет, и, в общем-то, не предвидится, такие эксперименты смогут использовать только один (ну или несколько, в ряде специальных случаев) луч/диаграмму направленности (напомню, что каждый луч наблюдает свой участок на небе). Поэтому, для экономии, было принято решение не поддерживать фазирование для всех имеющихся 36 лучей, а ограничиться только четырьмя.

askap_subarrays.jpg
Фото 5. А эта фотография, вообще говоря, не имеет отношения к CRAFT, но показывает ASKAP в режиме "subarray" (тут я не нашёл хорошего русского эквивалента). Антенны с приемником, который имеет зелёный цвет, представляют собой первую версию аппаратуры телескопа. Они делали какую-то науку в тот момент, когда мы налаживали первую очередь антенн с новой версией аппаратуры.


К счастью, инженеры заложили возможность получить автокорреляцию сигналов с высоким временным разрешением, непосредственно с каждой из антенн, до коррелятора, который усредняет данные во времени. Этот режим не использует телескоп как радиоинтерферометр, просто как набор маленьких одиночных антенн. Но, зато, появляется возможность направить каждую из антенн на свой участок неба и, тем самым, ещё увеличить эффективное поле зрения. Такой режим получил название fly's eye или "глаза мухи". Разумеется, он не совместим с другими наблюдениями, которым нужен сигнал с коррелятора и, соответственно, антенны должны наблюдать один и тот же участок неба. Так что, пока CRAFT наблюдает в таком режиме, строго говоря, он не оправдывает первую букву своего акронима (C for Commensal). Впрочем, и вторую букву (R for Real-time) он пока тоже не оправдывает, так как эти данные пока не удается обработать в режиме реального времени - они записываются на диск и обрабатываются потом, иногда через несколько недель после наблюдений.


В общем, луч номер 13 на антенне номер 5 оказался счастливым в плане обнаружения нашего первого FRB 7-ого января (см. динамический спектр на первой картинке). Но, на самом деле, всплеск был обнаружен и в соседних лучах тоже. Хотя он там виден хуже, это позволило сделать локализацию с заметно большей точностью - около 8 минут, чем было бы возможно на такой маленькой антенне с однолучевым приемником (около градуса). Статья и пресс-релиз посвящены этому первому всплеску, хотя он уже давно не единственный. Пока действительно получается, что ASKAP в этом режиме может обнаруживать один FRB приблизительно раз в два дня, что делает его одним из лучших инструментов для поиска быстрых всплесков.


Что дальше? Конечно, было бы неплохо уметь определять положение этих радиовсплесков с лучшей точностью, чем одиночная антенна может позволить. Как и на заре радиоастрономии, когда было вообще непонятно, какие объекты излучают в радиодиапазоне, есть большая вероятность, что отождествления быстрых радиовсплесков с другими известными объектами или какими-то классами объектов позволит сделать качественный скачок в понимании природы этого явления. Наблюдения с радиоинтерферометром - наверное самый очевидный следующий этап. Но тут есть тонкости технического характера: не так просто переварить такой объем данных, даже если не пытаться обработать всё это в режиме реального времени, а просто записать на диск.


Результатом наблюдений на радиоинтерферометре является так называемая функция видности или корреляция сигналов между каждой парой антенн составляющих этот интерферометр, одно комплексное число для каждого спектрального канала, поляризации (их две - горизонтальная и вертикальная, но после коррелятора получается четыре возможные комбинации), временного интервала и, в нашем случае, для каждого луча (или, иными словами, участка на которые разбито большое поле зрения телескопа). Один временной интервал, или, как говорят, цикл коррелятора (то есть устройства, которое эти корреляции сигналов вычисляет), для ASKAP даёт около 12 Гб данных. Продолжительность этого интервала выбирается достаточно малой, чтобы можно было пренебречь изменениями параметров системы во времени (например, взаимным положением антенн телескопа относительно источника, которое изменяется из за вращения Земли) и не вносить значительных инструментальных эффектов. Для наблюдений обычных источников, для такого телескопа, как ASKAP, достаточно цикла коррелятора около пяти секунд (что соответствует около 2.5 Гб/с). Но в случае быстрого радиовсплеска - нужно значительно лучшее временное разрешение, так как сам источник меняется за миллисекунды (на то он и быстрый радиовсплеск). И хотя, такое большое количество спектральных каналов, как в стандартном режиме нашего коррелятора, для быстрых радиовсплесков является излишним, особенно если мера дисперсии известна и уже скорректирована, объем данных в единицу времени все-равно оказывается неудобным для стандартного решения "в лоб" - записывать все данные на диск и потом обрабатывать, даже если не учитывать сложности внесения изменений в дизайн цифрового оборудования, чтобы реализовать эти нестандартные режимы коррелятора с меньшим числом спектральных каналов, но лучшим временным разрешением. В общем, надо как-то исхитриться, коль уж решить задачу "в лоб" не получается.


К счастью, инженеры заложили в конструкцию цифровой аппаратуры интересную возможность, в основном ради отладки, но, как часто бывает, хитрые режимы аппаратуры оказываются впоследствии полезными и для науки тоже. Оцифрованный сигнал с каждой из антенн, то есть, фактически сами измерения напряжений на выходе приёмника, а не их корреляция, проходит через кольцевой буфер. И есть возможность быстро снять копию по команде (триггеру) извне. Потом уже, когда время не критично, содержимое можно извлечь из аппаратуры и записать на диск. Размер этого буфера немного варьируется в зависимости от настроек (например, можно записать данные только одного луча/участка на небе или со всех), но, в любом случае, он соответствует достаточно большому интервалу во времени измеряемым секундами. А это достаточно для того, чтобы выровнять задержки между сигналами с разных антенн (из-за геометрии, кабелей и конечности скорости света) и заглянуть немного в прошлое. Так что дело за малым - надо автоматизировать процесс поиска используя тот же метод, как был найден этот FRB (ну разве, что все антенны будут наблюдать одну и ту же часть неба вместо fly's eye режима), и по обнаружению всплеска (хотелось бы, конечно, чтобы уровень ложных срабатываний был приемлемым) выдавать триггер. Если поиск всплеска удастся сделать за время меньшее длины буфера, то эти данные можно будет скоррелировать в софте, и, дальше, путём стандартной обработки, получить положения на небе с точностью порядка нескольких угловых секунд. Конечно, мелких технических нюансов тут тоже хватает, но есть хороший шанс, что в пределах года эта работа будет сделана.



Tags: askap, астро, научпоп
Subscribe

  • Брум и лестница на Луну

    Это небольшой фотоотчёт о поездке в город Брум (Broome) на севере Западной Австралии в мае этого года. В дикие места я не ездил - и так большая…

  • Про недавнее затмение / About the recent eclipse

    Before it drags for too long, I'll write up a short story about the eclipse trip last month. The eclipse itself was pretty much an icing on the…

  • Wild West

    I'll just share a few photographs from yet another trip to the observatory. Просто выложу несколько фотографий из очередной поездки на…

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

  • 0 comments