Кіріспе

Көп спектрлі бейнелеу және спектроскопиялық қызыл жылжуды зерттеу

Слоан Цифрлық Аспан Зерттеуі немесе SDSS – Нью-Мексико штатындағы Apache Point обсерваториясында орналасқан 2,5 метрлік кең бұрышты оптикалық телескопты пайдаланатын, ірі көп спектрлі бейнелеу және спектроскопиялық қызыл жылжуды зерттеу болып табылады. Жоба 2000 жылы басталды және маңызды қаржылық қолдау көрсеткен Альфред П. Слоан қорының атымен аталды. Қызыл жылжуды зерттеу мақсатында Вашингтон және Принстон университеттерінің консорциумы құрылды. Астрофизикалық зерттеулер консорциумы (ARC) 1984 жылы құрылды, ал 1991 жылы Слоан қоры ARC-ге зерттеу жұмыстарын жүргізу және осы жұмысты іске асыру үшін қажетті жабдықтарды салуға қаржы бөлді. Нью-Мексико мемлекеттік университеті мен Вашингтон мемлекеттік университеті Apache Point-тегі іс-шараларды басқаруға қосымша қатысты.

Операция

Деректерді жинау 2000 жылы басталды; соңғы бейнелеу деректерінің жариялануы (DR9) аспанның 35%-дан астамын қамтиды, шамамен 1 миллиард нысанның фотометриялық байқаулары бар, ал зерттеу спектрлерді алуды жалғастыруда, қазірге дейін 4 миллионнан астам нысанның спектрлерін алды. Негізгі галактикалар үлгісінің орташа қызыл жылжуы z = 0,1-ге тең; жарқыраған қызыл галактикалар үшін қызыл жылжулар z = 0,7-ге дейін, ал квазарлар үшін z = 5-ке дейін жетеді; сондай-ақ, бейнелеу зерттеуі z = 6-дан жоғары қызыл жылжудағы квазарларды анықтауға қатысты. 2011 жылдың қаңтар айында жарияланған 8-ші деректер жинағы (DR8) SDSS бейнелеу камерасымен алынған барлық фотометриялық байқауларды қамтиды, бұл аспандағы 14 555 шаршы градусқа (толық аспанның 35%-дан сәл астам) сәйкес келеді. 2012 жылдың 31 шілдесінде көпшілікке ұсынылған 9-шы деректер жинағы (DR9) Бариондық осцилляциялардың спектроскопиялық зерттеуінен (BOSS) алынған алғашқы нәтижелерді, оның ішінде 800 000-нан астам жаңа спектрді қамтиды. Жаңа спектрлердің 500 000-нан астамы 7 миллиард жыл бұрынғы Ғаламдағы нысандарға (Ғалам жасының шамамен жартысы) қатысты. 2013 жылдың 31 шілдесінде көпшілікке ұсынылған 10-шы деректер жинағы (DR10) бұрынғы жарияланымдардағы барлық деректерді, сондай-ақ APO Галактикалық Эволюция Экспериментінен (APOGEE) алынған алғашқы нәтижелерді, оның ішінде Сары Жолдағы жұлдыздардың 57 000-нан астам жоғары ажыратымдылықтағы инфрақызыл спектрлерін қамтиды. DR10 сонымен қатар алыс Ғаламдағы галактикалар мен квазарлардың 670 000-нан астам жаңа BOSS спектрлерін де қамтиды. Зерттеуден алынған, көпшілікке қолжетімді суреттер 1998-2009 жылдар аралығында түсірілген. 2020 жылдың шілдесінде 20 жылдық зерттеуден кейін Слоан Цифрлық Аспан Зерттеуінің астрофизиктері Ғаламның ең үлкен, ең толық 3D картасын жариялады, оның кеңею тарихындағы 11 миллиард жылдық олқылықты толтырды және Ғаламның жазық геометриясы теориясын қолдайтын, сондай-ақ әртүрлі аймақтар әртүрлі жылдамдықпен кеңейіп жатқандай екенін растайтын деректер ұсынды.

Байқаулар

SDSS арнаулы 2,5 м кең бұрышты оптикалық телескопты пайдаланады; 1998 жылдан 2009 жылға дейін ол бейнелеу және спектроскопиялық режимдерде жұмыс істеді. Бейнелеу камерасы 2009 жылдың соңында тоқтатылды, содан бері телескоп толығымен спектроскопиялық режимде бақылайды. Кескіндер бес сүзгілі (u, g, r, i және z деп аталады) фотометриялық жүйе арқылы алынды. Бұл кескіндер бақыланған нысандардың және түрлі параметрлердің тізімін жасау үшін өңделеді, мысалы, олар нүктелік немесе кеңейтілген (мысалы, галактика сияқты) көрінеді және CCD-дегі жарықтылықтың түрлі астрономиялық шамалармен байланысы. Бейнелеу бақылаулары үшін SDSS телескопы дрифт-сканерлеу әдісін қолданды, бірақ оң тік бұрыс, көлбеу, бақылау жылдамдығы және кескін айналуының үйлесімді өзгерістері телескопқа үлкен шеңберлер бойымен қозғалып, аспанның кішкентай жолақтарын үздіріссіз тіркеуге мүмкіндік берді. Фокустық жазықтықтағы жұлдыздардың кескіні CCD чипі бойымен жылжиды, ал заряд, қозғалмайтын телескоптардағыдай, тұрақтап қалудың орнына детекторлар бойымен бірдей жылдамдықпен электрондық түрде жылдырылады. (Телескопты аспан қозғалысы кезінде тоқтату тек аспан экваторында ғана мүмкін, себебі әртүрлі көлбеудегі жұлдыздар әртүрлі көрінетін жылдамдықпен қозғалады). Бұл әдіс ең кең көлемде дәйінді астрометрияны қамтамасыз етеді және детекторларды оқудан туындаған шығындарды азайтады. Кемшілігі – шағын бұрмалау эффектілері. Телескоптың бейнелеу камерасы 30 CCD чипінен тұрады, олардың әрқайсысының ажыратымдылығы бар, жалпы сомасы шамамен 120 мегапиксель. Чиптер 6 чиптен тұратын 5 қатарға орналасқан. Әрбір қатарда әртүрлі оптикалық сүзгілер бар, олардың орташа толқын ұзындығы 355,1 (u), 468,6 (g), 616,5 (r), 748,1 (i) және 893,1 (z) нм, ал u, g, r, i, z үшін 22,0, 22,2, 22,2, 21,3 және 20,5 шамаларына дейін 95% толықтығымен көрінеді. Сүзгілер камераға r, i, u, z, g ретімен орналастырылады. Шуды азайту үшін камера сұйық азотпен 190 кельвинге (шамамен -80°C) дейін салқындатылады. +SDSS фотометриялық жүйе сүзгілері ugriz Орташа толқын ұзындығы (нм) 355,1 468,6 616,5 748,1 893,1 Шама шектері 22,0 22,2 22,2 21,3 20,5 Ескерту: Түстер шамамен ғана және sRGB бейнелеуіне толқын ұзындығына негізделген. Осы фотометриялық деректерді пайдалана отырып, жұлдыздар, галактикалар және квазарлар да спектроскопия үшін таңдалады. Спектрограф әр нысанаға арналған жеке оптикалық талшықты алюминий тақтасына тесілген тесік арқылы жібереді. Әрбір тесік таңдалған нысанаға сәйкес келеді, сондықтан спектрлерді алуға арналған әрбір өріс бірегей тақта қажет етеді. Телескопқа қосылған бастапқы спектрограф бір мезгілде 640 спектрді тіркеуге қабілетті болды, ал SDSSIII үшін жаңартылған спектрограф бір мезгілде 1000 спектрді тіркеуге қабілетті. Әр түнде спектрлерді жазу үшін әдетте алтыдан тоғызға дейін тақталар қолданылады. Спектроскопиялық режимде телескоп аспанды стандартты түрде қадағалап, нысандарды сәйкес талшық ұштарына бағыттайды. Күн сайын телескоп шамамен 200 ГБ дерек шығарады.

SDSS-I: 20002005

2000-2005 жылдар аралығындағы алғашқы операциялық кезеңінде SDSS аспанның 8000 шаршы градусынан астам бөлігін бес оптикалық толқын ұзындығында суретке түсірді, сондай-ақ осы суреттерден іріктелген 5700 шаршы градус көлеміндегі галактикалар мен квазарлардың спектрлерін алды. Бұған қоса, Галактиканың оңтүстік бөлігіндегі 300 шаршы градустық жолақты шамамен 30 рет суретке түсірді.

SDSS-II: 2005-2008 жылдар

2005 жылы зерттеу жаңа кезеңге, SDSS II кезеңіне енді, оның аясында Сүт Жолының құрылымы мен жұлдыздық құрамын зерттеу үшін байқаулар кеңейтілді. Бұған SEGUE және Sloan Supernova Survey зерттеулері кірді, олар Ia типіндегі жарылыстарды бақылап, алыс объектілерге дейінгі қашықтықты өлшейді.

Слоан мұрасының зерттеуі

Слоан мұрасы зерттеуі Солтүстік Галактикалық қақпақтың 7500 шаршы градусынан астам аумағын қамтиды, онда 2 миллионға жуық нысанның деректері және 800 000-нан астам галактика мен 100 000 квазардың спектрлері бар. Нысандардың орналасуы және қашықтығы туралы мәліметтер ғаламның ірі масштабты құрылымын, оның бос кеңістіктерін және жіпшелерін алғаш рет зерттеуге мүмкіндік берді. Бұл деректердің көп бөлігі SDSS I бағдарламасында алынды, бірақ аймақтың шағын бөлігі SDSS II бағдарламасында аяқталды.

Галактикалық түсінік пен зерттеуді кеңейту (Sloan Extension for Galactic Understanding and Exploration (SEGUE))

Галактикалық түсіну және зерттеу үшін Слоан кеңейткіші 240 000 жұлдыздың спектрлерін (әдеттегі радиалдық жылдамдығы 10 км/с) алып, Құс жолының егжей-тегжейлі үш өлшемді картасын жасады. SEGUE деректері галактиканың түрлі компоненттеріндегі жұлдыздардың жасы, құрамы және фазалық кеңістіктегі таралуы туралы мәліметтер береді, бұл біздің галактикамыздың құрылымы, қалыптасуы және эволюциясын түсінуге қажетті маңызды ақпараттарды ұсынады. Осы зерттеуге қатысты жұлдыздық спектрлер, суреттер және туынды параметрлер тізімдері SDSS Data Release 7 (DR7) бөлігі ретінде қауымға ашық қолжетімді.

Слоан суперновалық зерттеу

2005 жылдан 2008 жылға дейін жүргізілген SDSS Supernova Survey аспан экваторына центрленген аспанның 2,5° енді бір жолағының қайталап суретке түсіруін жүзеге асырды. 20 сағат оң жақ көтерілуден 4 сағатқа дейін, осылайша ол оңтүстік галактикалық қақпақта (Galactic cap қараңыз) орналасып, галактикалық сіңіруден зардап шекпеді. Жоба 500-ден астам Ia типіндегі супернованы ашты. 2007 жылдың соңына дейін Supernova Survey Ia типіндегі суперноваларды іздеді. Зерттеу өзгермелі нысандар мен суперноваларды анықтау үшін 300 шаршы градус аумақты жылдам сканерледі. Ол 2005 жылы 130 расталған Ia суперновалық оқиғаны және 2006 жылы тағы 197 оқиғаны анықтады. 2014 жылы 10 258 өзгермелі және уақытша көздерді қамтитын одан да үлкен каталог жарияланды. Олардың 4607-сі расталған немесе ықтимал суперновалар болып табылады, бұл осы уақытқа дейін жинақталған ең үлкен суперновалар жиынтығы.

SDSS III: 2008-2014 жылдар

2008 жылдың ортасында SDSS III басталды. Ол төрт жеке зерттеуден құралды:

APO Галактикалық эволюция эксперименті (APOGEE)

APO Галактикалық Эволюция Эксперименті (APOGEE) галактиканың ішкі бөлігін жасыратын шаңды тесіп өту үшін жоғары ажыратымды, жоғары сигнал-шу қатынасты инфрақызыл спектроскопиясын пайдаланды. APOGEE галактикалық дөңгелек, табан, диск және галосының толық диапазонындағы 100 000 қызыл алып жұлдызды зерттеді. Ол жоғары спектроскопиялық ажыратымдылықта (R ≈ 20,000, λ ≈ 1.6μm) және жоғары сигнал-шу қатынасында байқалған жұлдыздар санын 100 еседен астам арттырды. Жоғары ажыратымды спектрлер шамамен 15 элементтің мөлшерін анықтады, бұл қызыл алыптардың пайда болған газ бұлттарының құрамы туралы ақпарат берді. APOGEE 2011-2014 жылдар аралығында деректер жинауды жоспарлады, ал алғашқы деректер 2013 жылдың соңында SDSS DR10 аясында жарияланды.

Бариондық тербелістің спектроскопиялық зерттеуі (BOSS)

SDSS III-тің Барьондық тербеліс спектроскопиялық зерттеуі (BOSS) Ғаламның кеңею деңгейін өлшеу үшін жобаланды. Ол жарқыраған қызыл галактикалардың (LRG) және квазарлардың кеңістіктегі таралуын картографиялап, олардың кеңістіктегі орналасуын анықтауға және ерте Ғаламдағы бариондық акустикалық тербелістердің із қалдырған ерекше масштабтарын табуға мүмкіндік берді. Ерте Ғаламда тараған дыбыс толқындары, көлдегі дөңгелек толқындар сияқты, галактикалардың бір-біріне қатысты орналасуына тән масштабты қадап қояды. BOSS Ғаламның масштабын бір проценттік дәлдікпен өлшегені жарияланды және 2014 жылдың көктемінде аяқталды.

Көп объекттік АПО радиалдық жылдамдық экзопланеталар кең аймақты зерттеу (MARVELS)

Көп объектілі APO радиалдық жылдамдық экзопланеталардың кең аумақты зерттеуі (MARVELS) 11 000 жарқын жұлдыздың радиалдық жылдамдықтарын, бірнеше сағаттан екі жылға дейінгі орбиталық периоды бар газ аспапты планеталарды анықтау үшін қажетті дәлдік және жиілікпен бақылады. Бұл жердегі Доплер зерттеуі радиалдық жылдамдықтарды бақылау үшін SDSS телескопы және жаңа көп объектілі Доплер құралдарын пайдаланды. Жиналған деректер сирек жүйелерді теориялық салыстыру және табу үшін статистикалық үлгі ретінде қолданылды. Жоба 2008 жылдың күзінде басталып, 2014 жылдың көктеміне дейін жалғасты.

SEGUE-2

Галактикалық түсіну мен зерттеу үшін алғашқы Слоан кеңейтуі (SEGUE 1) әртүрлі спектрлік типтерге жататын шамамен 240 000 жұлдыздың спектрлерін алды. Осы жетістікке сүйене отырып, SEGUE 2 10-60 кпк қашықтықтағы Сарыжолдың ішкі жұлдыздық галосына баса назар аудара отырып, шамамен 120 000 жұлдызды спектроскопиялық тұрғыдан зерттеді. SEGUE 2 SEGUE 1-дің үлгі көлемін екі есеге арттырды. SEGUE 1 және 2 деректерін біріктіру галактикалық гало мен дисктердің күрделі кинематикалық және химиялық құрылымдық бөлімдерін ашты, бұл галактиканың қалыптасуы мен байыту тарихы туралы маңызды ақпараттарды ұсынды. Атап айтқанда, сыртқы галода кейінгі уақыттағы аккрециялық құбылыстар басым болады деп болжанды. SEGUE деректері жұлдыздық галоның қалыптасуына қатысты қолданыстағы модельдерді нақтылауға және галактикалардың қалыптасуының жоғары ажыратымдылықтағы келесі буын симуляцияларын жүргізуге көмектеседі. Бұған қоса, SEGUE 1 және SEGUE 2 ғарыштық жұлдыздардың ең алғашқы буындарының қалдықтары болып табылатын сирек, алғашқы химиялық құрамы бар жұлдыздарды анықтауға мүмкіндік береді.

SDSS IV: 2014-2020 жылдар

SDSS-тің соңғы буыны (SDSS IV, 2014–2020) ғаламның тарихының маңызды ерте кезеңін (eBOSS) зерттеу үшін нақты космологиялық өлшемдерді кеңейтеді, солтүстік және оңтүстік жарты шарлардағы галактиканың инфрақызыл спектроскопиялық зерттеуін ұлғайтады (APOGEE 2) және алғаш рет жеке галактикалардың кеңістіктегі ажыратымды карталарын (MaNGA) жасау үшін Слоан спектрографтарын пайдаланады.

APO галактикалық эволюция эксперименті (APOGEE-2)

Құс жолының жанды шолуы, екі маңызды бөлігі бар: APO обсерваториясындағы жарық сәттерін пайдалана отырып жүргізілген солтүстік шолу және Лас-Кампанас обсерваториясындағы 2,5 метрлік Ду Пон телескопы арқылы жүргізілген оңтүстік шолу.

Кеңейтілген бариондық тербелістерді спектроскопиялық зерттеу (eBOSS)

Квазарлар мен галактикалардың космологиялық шолуы, сонымен қатар өзгергіш объектілерді (TDSS) және рентгендік көздерді (SPIDERS) зерттейтін қосалқы бағдарламаларды да қамтиды.

АПО-да (MaNGA) жақын галактикаларды картаға түсіру

[[File:Hdp middenvlak. svg|thumb|7 талшықты шоғырдың қарапайым графикалық бейнесі. MaNGA бір уақытта 17 галактиканы өлшейді, 19, 37, 61, 91 және 127 талшықтан тұратын шоғырларды пайдалана отырып.

SDSS-V: 2020қазіргі

Нью-Мексикодағы Apache Point обсерваториясы 2020 жылдың қазан айында SDSS V үшін деректерді жинауды бастады. Apache Point 2021 жылдың ортасына дейін плагин тақталарынан (жұлдыз жарығы үшін қолмен тесілген алюминий тақталарынан) шағын автоматтандырылған робот қолдарына өтеді, ал Чилидегі Лас Кампанас обсерваториясы да осы жылдың соңында осылай жаңартылады. "Галактикалар картасы" зерттеуі алты миллион жұлдыздың спектрін зерттейді. Black Hole Mapper зерттеуі галактикаларды олардың супермассивті қара тесіктерін жанама түрде талдау үшін бағыттайды. Жергілікті көлем картасы жақын орналасқан галактикаларды нысанаға алып, олардың жұлдызаралық газ бұлттарын талдайды.

Деректерге қол жеткізу

LRG 4 606 – жарық қызыл галактика. LRG – SDSS-де табылған жарқын қызыл галактикалар каталогының аббревиатурасы. Зерттеу деректерін Интернет арқылы қолжетімді етеді. SkyServer – негізгі Microsoft SQL Server-ге интерфейстердің кең ауқымын ұсынады. Осылайша, спектрлер мен кескіндер де қолжетімді, ал интерфейстерді пайдалану өте оңай, мысалы, SDSS деректерімен қамтылған аспанның кез келген аймағының толық түсті кескінін координаттарын енгізу арқылы алуға болады. Деректер тек коммерциялық емес мақсатта, жазбаша рұқсатсыз қолданылады. SkyServer сонымен қатар мектеп оқушыларынан бастап кәсіби астрономдарға дейін барлығына арналған оқулықтарды ұсынады. 2013 жылдың шілдесінде жарық көрген ондық маңызды деректер жинағы DR10, Google Sky ішінде SkyServer деректеріне тікелей қол жеткізуге мүмкіндік береді. Деректер 3D визуализаторы бар Хейден планетарийында да қолжетімді. SDSS-тің Stripe 82 аймағы бойынша деректердің үнемі кеңейіп келе жатқан тізімі де бар. Техникалық сарапшы Джим Грейдің SkyServer жобасына Microsoft Research атынан қосқан үлесінен кейін, Microsoft WorldWide Telescope SDSS және басқа дерек көздерін пайдаланады. MilkyWay@home SDSS деректерін пайдаланып, Құс жолы галактикасының өте дәл үш өлшемді моделін жасады.

Нәтижелер

Сауалнаманың өзін сипаттайтын жариялымдармен қатар, SDSS деректері астрономиялық тақырыптардың кең ауқымындағы жариялымдарда пайдаланылды. SDSS веб-сайтында осы жариялымдардың толық тізімі бар, онда байқалатын ғаламның шегіндегі алыс квазарлар, галактикалардың таралуы, біздің галактикамыздағы жұлдыздардың қасиеттері, сондай-ақ ғаламдағы қара материя және қара энергия сияқты мәселелер де қамтылған.

Карталар

Data Release 9 басылымы негізінде 2012 жылдың 8 тамызында зәулім галактикалар мен қашықтағы қара тесіктердің жаңа 3D картасы жарияланды.