Радиотранзиенты: поиск и исследование

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-12-00236

НазваниеРадиотранзиенты: поиск и исследование

Руководитель Тюльбашев Сергей Анатольевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им.П.Н.Лебедева Российской академии наук , г Москва

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-704 - Физика и эволюция звезд и межзвездной среды

Ключевые слова радиотранзиент, переменность, пульсар, вращающийся радиотранзиент, межпланетная среда, межзвездная среда, межгалактическая среда, компактные радиоисточники, метровый диапазон длин волн

Код ГРНТИ41.23.33

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В проекте будет проведен поиск и исследование разного рода радиотранзиентов, наблюдаемых в метровом диапазоне длин волн на временных интервалах длительностью от миллисекунд до минут. На настоящий момент времени наиболее интересными из этих транзиентов представляются транзиенты типа вращающихся радиотранзиентов (rotating radio transient (RRAT) - особый вид пульсаров) и FRB (быстрые радиовспышки (радиовсплески)). Как известно, первоначально пульсары были открыты как повторяющиеся импульсы в радиодиапазоне. Анализ времени прихода этих импульсов показал высокую добротность процесса. В 2006 году были открыты пульсары с очень редкими по времени вспышками. Промежутки между отдельными импульсами могут доходить до нескольких часов. Причины такого редкого появления этих вспышек и физика таких пульсаров (RRAT) пока не ясна. Внегалактические быстрые радиовспышки (FRB) были открыты в 2007 году. Длительность вспышек FRB сравнима с длительностью вспышек RRAT, но FRB имеют внегалактическое происхождение. Природа FRB, в целом, также не ясна. Наиболее вероятной, на данный момент времени, кажется гипотеза о том, что FRB являются магнитарами. Помимо FRB и RRAT за последние годы были открыты и другие виды относительно быстрых транзиентов, о природе которых пока вообще ничего не известно. Например, в обзоре LOFAR был найден транзиент на частоте 60 МГц с плотностью потока порядка 20 Ян и длительностью 11 минут (Stewart,2016,MNRAS). В обзоре длительностью больше 10000 часов на LWA на частоте 34 МГц был обнаружен транзиент с плотностью потока около 830 Ян и длительностью 15-20 секунд (Varghese,2019,ApJ). В наблюдениях на частотах от гигагерц до десятков мегагерц наблюдаются и другие транзиенты, имеющие малую длительность по времени, природа которых известна (вспышки метеоров, разного рода процессы на Солнце и другие). Общее количество открытых (опубликованных) быстрых транзиентов типа RRAT и FRB невелико. На данный момент - это примерно 100 объектов типа RRAT и примерно 120 объектов типа FRB. Также известны около 3000 пульсаров (https://www.atnf.csiro.au/people/pulsar/psrcat/), в основном открытых в радиодиапазоне. Так как типичная длительность импульса секундного пульсара, RRAT и FRB объекта примерно одинаковая (несколько миллисекунд), то с точки зрения наблюдателя поиск одиночных импульсов от такого рода объектов - это одна и та же задача. RRAT объекты - это пульсары, но причина такого редкого появления их импульсов пока не ясна. Возможно, это пульсары на стадии "умирания", возможно мы видим гигантские импульсы каких-то далеких пульсаров и не видим их регулярного излучения. Есть и ряд других гипотез. На настоящий момент известно слишком мало RRAT и практически отсутствуют их долговременные исследования, которые смогли бы дать однозначный ответ об их природе. Поиски пульсаров, проводимые в настоящее время и в прошлом, следуют одной схеме: Максимально возможное время (десятки минут) накопления первичных данных в направлении плоскости Галактики, где и должна находиться подавляющая часть пульсаров, согласно общепринятым теориям об их образовании, и относительно небольшое время накопления (минуты) вне плоскости Галактики. Такая схема наблюдений позволяет минимизировать время обзора больших площадок на небе и максимизировать количество находимых объектов. Однако, при такой схеме поиска будут часто теряться "нестандартные" объекты, например, пульсары с нестабильным излучением - вспышечные, с нуллингами (длительное пропадание импульсов), с сильной переменностью и другие. Несмотря на общее большое количество открытых пульсаров, известно всего несколько десятков этих редких объектов. В то же время именно на объектах, имеющих необычные свойства, хорошо тестировать гипотезы о природе их возникновения класса объектов, механизмах излучения и другое. Любые теоретические изыскания должны объяснять все наблюдаемые особенности, и поэтому даже один обнаруженный необычный объект эквивалентен тысячам объектов с одинаковой совокупностью признаков. Для поиска редко встречающихся типов пульсаров, а также RRAT и FRB, нужны особенные условия. В идеале - это одновременные наблюдения всего неба на долговременных (от дней до лет) промежутках времени на разных частотах и с высокой мгновенной чувствительностью. Радиотелескопов, позволяющих проводить такие наблюдения пока не существует. Частично этому идеалу удовлетворяют мониторинговые наблюдения на антенне БСА ФИАН на частоте 111 МГц. Они уже позволили обнаружить 31 новый пульсар (2/3 из которых находятся во внегалактической плоскости), а также 35 транзиентов типа RRAT. Продолжение этих мониторинговых работ позволит проводить поиск редких объектов, включая их долговременные исследования, а также поиск и долговременное исследование объектов типа RRAT. На настоящий момент времени поиск ограничен мерами дисперсии 100 пк/см^3, но при увеличении границ поиска до мер дисперсии 200 пк/см^3 есть вероятность обнаружения большего числа FRB. Так на мерах дисперсии от 100 до 200 пк/см^3 в наблюдениях дециметрового диапазона уже обнаружено 11 FRB (http://frbcat.org/). Долговременные (на интервалах годы) исследования RRAT объектов очень немногочисленны, и проводимый обзор даст уникальную возможность поиска сходства и различий между RRAT и классическими пульсарами. Если мониторинг удастся продолжить, то к 2023 году появятся ежедневные наблюдения пульсаров и транзиентов на почти половине небесной сферы на интервале 9 лет. Поиск новых типов транзиентов с импульсами появляющимися на интервалах времени от десяти секунд до часов с учетом того, что их природа не известна – это несомненно важная научная задача. Мониторинговые, многолетние, многолучевые наблюдения позволяют провести поиск такого рода транзиентов, имеющих плотность потока на порядок меньше, чем у нескольких транзиентов, уже зарегистрированных на частотах ниже частоты наблюдений БСА ФИАН. Научная новизна проекта заключается в возможности обнаружения и исследования редких и необычных по своей природе объектов. Эта возможность основана на реализации единственного в мире проекта ежедневного обзора половины небесной сферы в радиодиапазоне, проводимом на телескопе, имеющем чувствительность сравнимую с чувствительностью лучших телескопов мира. Получаемые данные позволяют вести долговременные исследования и поиск любых коротких транзиентов. Актуальность проекта определяется тем, что общее количество открытых коротких транзиентов мало, а в метровом диапазоне очень мало. Поэтому обнаружение новых коротких транзиентов и их статистические исследования дадут ограничения на теоретические модели.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Тюльбашев С.А., Первухин Д.В., Китаева М.А., Тюльбашева Г.Э., Брылякова Е.А., Черносов А.В. Revisiting Pushchino RRAT search using neural network Astronomy and Astrophysics, V.664, p. A37 (год публикации - 2022)
10.1051/0004-6361/202243213

2. Тюльбашев С.А., Китаева М.А., Тюльбашева Г.Э. Pushchino multibeam pulsar search - I. Targeted search of weak pulsars Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, v.517 pp.1112-1125 (год публикации - 2022)
10.1093/mnras/stac2404

3. Тюльбашев С.А., Тюльбашева Г.Э., Китаева М.А. Pushchino multibeams pulsar search. First results Proceeding of science, conference "The Multifaceted Universe: Theory and Observations", PoS(MUTO2022)043 (год публикации - 2022)
10.22323/1.425.0043

4. Тюльбашев С.А., Чашей И.В., Китаева М.А. Interplanetary scintillation and pulsar pulse statistics MNRAS, MNRAS, 523, Issue 1, pp.1389-1393 (год публикации - 2023)
10.1093/mnras/stad1461

5. Самодуров В.А., Тюльбашев С.А., Торопов М.О., Долгушев А.В., Орешко В.В., Логвиненко С.В. Detection of two new RRATs at 111 MHz Astronomy Reports, Astronomy Reports, Vol. 67, No. 6, pp. 590–595 (год публикации - 2023)
10.1134/S1063772923070077

6. Брылякова Е.А., Тюльбашев С.А. On the Problems of Detecting Fast Radio Bursts with the LPA LPI Astronomy Reports, Astronomy Reports 67 (2), 163-171 (год публикации - 2023)
10.1134/S106377292302004X

7. Брылякова Е.А., Тюльбашев С.А. О поиске импульсного излучения от магнетара SGR 1935+2154 на БСА ФИАН Труды Института прикладной астрономии РАН, Труды ИПА, 2022, вып. 63, С.3-7 (год публикации - 2023)
10.32876/ApplAstron.63.3-7

8. Тюльбашев С.А., Китаева М.А., Брылякова Е.А., Тюльбашев В.С., Тюльбашева Г.Э. Поиск вращающихся радиотранзиентов в Пущинском многолучевом обзоре Письма в Астрономический Журнал, Письма в Астрономический Журнал, Том 49, номер 10 (год публикации - 2023)
10.31857/S0320010823090061

9. Малофеев В.М., Малов О.И., Теплых Д.А., Тимиркеева M.А. ОБНАРУЖЕНИЕ РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ ОТ ГЕМИНГАПОДОБНОГО ГАММА-ПУЛЬСАРА J1836+5925 Письма в Астрономический Журнал, Том 49, номер 10 (год публикации - 2023)
10.31857/S0320010823100029

10. Тимиркеева М.А., Малов И.Ф. УГЛЫ МЕЖДУ МАГНИТНЫМ МОМЕНТОМ И ОСЬЮ ВРАЩЕНИЯ В РАДИОПУЛЬСАРАХ С ЖЕСТКИМ ИЗЛУЧЕНИЕМ Письма в астрономический журнал, ПАЖ том 49, номер 12 (год публикации - 2023)

11. Тюльбашев С.А., Тюльбашева Г.Э. Search for Pulsars in an Area with Coordinates 3h < α < 4h and +21° < δ < +42° Astronomy Reports, Astronomy Reports volume 67, pages 172–180 (год публикации - 2023)
10.1134/S1063772923020099

12. Смирнова Т.В., Тюльбашев С.А., Китаева М.А., Малофеев В.М. Pushchino multibeams pulsar search –III. Drift periods of pulsars from summed power spectra method Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 528, Issue 1, February 2024, Pages 726–734 (год публикации - 2024)
10.1093/mnras/stae066

13. Тюльбашев С.А., Китаева М.А., Первухин Д.В., Тюльбашева Г.Э., Брылякова Е.А., Черносов А.В., Овчинников И.Л. Search for rotating radio transients in three years of monitoring data Astronomy and Astrophysics, Astronomy and Astrophysics, 2024, vol.689, id.A1, pp.6 (год публикации - 2024)
10.1051/0004-6361/202449762

14. Смирнова Т.В., Торопов М.О., Тюльбашев С.А. Variations in the Radiation Intensity of Pulsar B0950+08: Nine Years of Monitoring at 110 MHz Astronomy Reports, Astronomy Reports, 2024, Vol. 68, No. 8, pp. 828–837 (год публикации - 2024)
10.1134/S1063772924700707

15. Тюльбашев С.А., Тюльбашева Г.Э. SEARCH FOR PULSARS WITH PERIODS OF MORE THAN TWO SECONDS AT DECLINATIONS FROM +21 TO +42. АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2024, том 101, № 12, с. 63–63 (год публикации - 2024)

16. Торопов М.О., Тюльбашев С.А., Смирнова Т.В., Самодуров В.А., Овчинников И.Л. Study of the variability and components of the pulsar B0823 + 26 at a frequency of 111 MHz Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 527, Issue 1, pp.1594-1600 (год публикации - 2024)
10.1093/mnras/stad3349

17. Тюльбашев С.А., Тюльбашева Г.Э., Китаева М.А., Овчинников И.Л., Орешко В.В., Логвиненко С.В. Pushchino multibeams pulsar search –IV. Detection of new pulsars at declinations −9 ◦< δ< + 55 ◦ Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, MNRAS, vol. 528, issue 2, February 2024, pp. 2220–2231 (год публикации - 2024)
10.1093/mnras/stae070

18. Торопов М. О., Тюльбашев С. А., Бескин В. С. ПОИСК ИНТЕРПУЛЬСОВ В ПОЛНОЙ ВЫБОРКЕ ПУЛЬСАРОВ НА ЧАСТОТЕ 111 МГЦ АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2024, том 101, № 12, с. 52–62 (год публикации - 2024)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
По гранту РНФ за 2024 года было опубликовано 7 статей, из них 4 статьи в журналах первого квартиля, и один препринт по статье, посланной в журнал первого квартиля. Полученные результаты были представлены на двух конференциях. Поиск RRAT (Tyul’bashev et al., 2024, A&A) Поиск транзиентов типа RRAT заключается в том, что в исходных данных перебираются возможные DM и ищутся сигналы с СШ больше заданного. Исходные объемы данных уже больше 350 ТБ, сам поиск занимает 2 месяца, в ходе поиска обнаруживаются миллионы кандидатов. Основная задача заключается в том, чтобы уменьшить это количество кандидатов до таких пределов, когда можно использовать визуальную проверку. Для отсеивания кандидатов была использована нейронная сеть. После окончательного анализа было обнаружено 36 новых RRAT. Расстояние до двух RRAT (J0408+28; J0440+35) оказалось меньше 150 пс. Поиск пульсаров (Tyul'bashev et al., 2024, MNRAS) Для поиска пульсаров ранее по проекту была разработана специальная методика, которая позволяет увеличивать чувствительность в десятки раз сложением спектров мощности за весь наблюдаемый период (примерно 3000 дней). С использованием этой методики был проведен поиск пульсаров, находящихся на склонениях от -9о до +55о. Удалось улучшить чувствительность в 35-40 раз в сравнении с одной наблюдательной сессией. В слепом поиске обнаружено 330 пульсаров с периодами от 0.033с до 3.7455с и мерой дисперсии до 249 пс/см3. Обнаружено 39 новых пульсаров, средние профили получены для 6 пульсаров. Уточнена мера дисперсии 7 ранее найденных пульсаров. Поиск долгопериодических транзиентов (Тюльбашев и Тюльбашева, 2024, АЖ) Для поиска долгопериодических транзиентов была модернизирована программа поиска пульсаров, в которую был введен новый модуль, позволяющий использовать алгоритм быстрого сложения (FFA; периодограммы). Время обработки с помощью FFA во много раз больше, чем с помощью спектров мощности. Однако, периодограммы позволяют искать периодические сигналы Р=2-90с в сессиях длительностью 3.5 минуты. В поиске нами достигнута чувствительность 1 мЯн вне плоскости Галактики. Обнаружено 2 новых пульсара. Пульсар J1951+28 с периодом 7.33с и DM=3.5 pc/cm3 оказался одним из самых близких пульсаров к Солнцу и имеет предельно низкую светимость, которая на порядок ниже, чем среди всех пульсаров известных до настоящего времени. Поиск дрейфовых периодов пульсаров (Smirnova, Tyul’bashev et al., 2024, MNRAS) Специально проведенное моделирование движения субимпульсов в среднем профиле пульсаров показало, что в спектре мощности отражаются детали, связанные с дрейфовыми периодами Р2 и Р3 и с направлением движения субимпульса. Мы сложили спектры мощности известных пульсаров за тысячи дней, и смогли найти или уточнить дрейфовые периоды Р2 для 11 пульсаров. Для 8 пульсаров найден или уточнен дрейфовый период Р3, как и направление дрейфа. Поиск интеримпульсного излучения и исследование некоторых пульсаров в выборке из 96 пульсаров (Торопов, Тюльбашев и др., 2024, АЖ; Toropov, Tyul'bashev et al., 2024, MNRAS; Торопов, Смирнова, Тюльбашев, 2024, АЖ) Интеримпульс (IP) пульсара может быть на 2 порядка слабее главного импульса (MP). Поэтому для поиска пульсаров с IP необходимо иметь очень высокие отношения сигнала к шуму. Для проведения работы мы складывали средние профили на всем интервале наблюдений (порядка 3000 сессий). Была создана программа, позволяющая убирать данные с низким качеством, аккуратно вычитать базовую линию, калибровать шумовую дорожку. Минимально достигнутые СШ=40. Максимальные СШ превышают несколько тысяч. IP найдены у 12 пульсаров, из них у 7 пульсаров значение фазы интерпульса вблизи 180о, а у 5 значение фазы далеко от 180о. Показано, что отношение амплитуд IP/MP=0.004-0.023, медианное значение 0.01. Показано, что интерпульсы должны иметь более 10% всех пульсаров. Два наиболее сильных пульсара с интерпульсами В0823+26 и В0950+08 были исследованы отдельно. Изучена их переменность, отдельные компоненты, моды, соотношения потоков IP/MP. Для пульсара В0823+26 показано, что отношение амплитуд в главном импульсе в яркой и спокойной модах отличается в 60 раз. Отношение амплитуд в яркой моде для главного импульса и интерпульса отличается в 65 раз. Показаны 37-дневный и годовой масштабы переменности, связанные с мерцаниями на межзвездной плазме. Годовой масштаб переменности для В0823+26 обнаружен впервые. Для пульсара В0950+08 показаны сессии, когда амплитуда интеримпульса превышает амплитуду импульса, впервые измерена амплитуда излучения моста (bridge). Определены временные и частотные масштабы дифракционных и рефракционных межзвездных мерцаний. Результаты, связанные с поиском пульсаров и транзиентов отражены на специально созданном сайте: https://bsa-analytics.prao.ru/

Публикации

Возможность практического использования результатов
Представленный проект РНФ не является НИРовской работой. То есть немедленного вклада в экономику и социальную сферу он дать не может. Однако новые и исследуемые объекты могут быть использованы в работах связанных с пульсарной шкалой времени и с навигацией по пульсарам в далеком космосе.