Введение

Многоспектральная съемка и спектроскопическое исследование красного смещения

Слонский цифровой обзор неба (SDSS) — крупномасштабное исследование, включающее многоспектральную съемку и спектроскопическое определение красного смещения, с использованием выделенного 2,5-метрового оптического телескопа с широким углом обзора в обсерватории Апачи-Пойнт в Нью-Мексико, США. Проект начался в 2000 году и был назван в честь Фонда Альфреда П. Слоана, который оказал значительное финансовое содействие. Для проведения исследования красного смещения был создан консорциум Университета Вашингтона и Принстонского университета. Астрофизический исследовательский консорциум (ARC) был основан в 1984 году с участием Государственного университета Нью-Мексико и Государственного университета Вашингтона для управления деятельностью в Апачи-Пойнт. В 1991 году Фонд Слоана выделил ARC средства на проведение исследований и строительство оборудования, необходимого для выполнения работ.

Операция

Сбор данных начался в 2000 году; окончательный выпуск данных изображений (DR9) охватывает более 35% неба, содержит фотометрические наблюдения около 1 миллиарда объектов, в то время как обследование продолжает получать спектры, собрав на данный момент спектры более 4 миллионов объектов. Основная выборка галактик имеет медианное красное смещение z = 0,1; красные смещения для ярких красных галактик достигают z = 0,7, а для квазаров – z = 5; обзор изображений участвовал в обнаружении квазаров с красным смещением более z = 6. Выпуск данных 8 (DR8), опубликованный в январе 2011 года, включает все фотометрические наблюдения, выполненные с помощью камеры SDSS, охватывающие 14 555 квадратных градусов на небе (немногим более 35% всего неба). Выпуск данных 9 (DR9), предоставленный общественности 31 июля 2012 года, содержит первые результаты Барьонно-осцилляционного спектроскопического обследования (BOSS), включая более 800 000 новых спектров. Более 500 000 новых спектров относятся к объектам, существовавшим 7 миллиардов лет назад (примерно половина возраста Вселенной). Выпуск данных 10 (DR10), опубликованный для общественности 31 июля 2013 года, включает все данные предыдущих выпусков, а также первые результаты эксперимента APO Galactic Evolution Experiment (APOGEE), в том числе более 57 000 инфракрасных спектров звезд Млечного Пути высокого разрешения. DR10 также содержит более 670 000 новых спектров BOSS галактик и квазаров в далекой Вселенной. Общедоступные изображения, полученные в ходе обследования, были сделаны в период с 1998 по 2009 год. В июле 2020 года, после 20-летнего обследования, астрофизики из Sloan Digital Sky Survey опубликовали самую большую и детализированную трехмерную карту Вселенной на сегодняшний день, заполнив пробел в 11 миллиардов лет в истории ее расширения и предоставив данные, подтверждающие теорию плоской геометрии Вселенной и указывающие на то, что различные регионы расширяются с разной скоростью.

Замечания

SDSS использует выделенный 2,5-метровый широкоугольный оптический телескоп; с 1998 по 2009 год он вел наблюдения как в режиме получения изображений, так и в спектроскопическом режиме. Камера для получения изображений была выведена из эксплуатации в конце 2009 года, после чего телескоп работает исключительно в спектроскопическом режиме. Изображения получались с использованием фотометрической системы из пяти фильтров (обозначенных как u, g, r, i и z). Эти изображения обрабатываются для создания каталогов наблюдаемых объектов и различных параметров, таких как их вид – точечные или протяженные (например, галактики), а также связь яркости на ПЗС-матрицах с различными типами астрономических звездных величин. Для наблюдений в режиме получения изображений телескоп SDSS использовал технику дрейфового сканирования, но с тщательно выверенными изменениями прямого восхождения, склонения, скорости слежения и вращения изображения, что позволяет телескопу отслеживать движение вдоль больших кругов и непрерывно записывать узкие полосы неба. Изображение звезд в фокальной плоскости дрейфует вдоль чипа ПЗС, а заряд электронно сдвигается вдоль детекторов с той же скоростью, вместо того чтобы оставаться неподвижным, как в телескопах с отслеживанием. (Простое наведение телескопа на объект по мере движения неба возможно только на небесном экваторе, поскольку звезды с разным склонением кажутся движущимися с разной скоростью). Этот метод обеспечивает согласованную астрометрию на максимально широком поле зрения и минимизирует потери времени, связанные со считыванием данных с детекторов. Недостатком является незначительное искажение изображения. Камера телескопа состоит из 30 ПЗС-чипов, каждый с разрешением пикселей, что в сумме составляет около 120 мегапикселей. Чипы расположены в 5 рядов по 6 чипов. Каждый ряд имеет оптический фильтр с центральной длиной волны 355,1 (u), 468,6 (g), 616,5 (r), 748,1 (i) и 893,1 (z) нм, обеспечивающий 95%-ную полноту при типичном качестве зрения до звездных величин 22,0, 22,2, 22,2, 21,3 и 20,5 для u, g, r, i, z соответственно. Фильтры установлены на камере в порядке r, i, u, z, g. Для снижения шума камера охлаждается до 190 кельвинов (около −80°C) жидким азотом. +Фотометрическая система фильтров SDSS ugriz Средняя длина волны (нм) 355,1 468,6 616,5 748,1 893,1 Предельная звездная величина 22,0 22,2 22,2 21,3 20,5 Примечание: цвета приблизительны и основаны на преобразовании длины волны в sRGB. Используя эти фотометрические данные, для спектроскопии также отбираются звезды, галактики и квазары. Спектрограф работает, направляя индивидуальное оптическое волокно для каждой цели через отверстие, просверленное в алюминиевой пластине. Каждое отверстие точно позиционируется для выбранной цели, поэтому для каждого поля, для которого необходимо получить спектры, требуется уникальная пластина. Изначальный спектрограф, установленный на телескопе, мог одновременно записывать 640 спектров, а обновленный спектрограф для SDSSIII – 1000 спектров. В течение каждой ночи для записи спектров обычно используется от шести до девяти пластин. В спектроскопическом режиме телескоп отслеживает небо стандартным образом, удерживая объекты в фокусе на концах соответствующих волокон. Каждую ночь телескоп генерирует около 200 ГБ данных.

SDSS-I: 20002005

Во время первого этапа работы, с 2000 по 2005 год, SDSS заснял более 8000 квадратных градусов неба в пяти оптических диапазонах и получил спектры галактик и квазаров, отобранных из области в 5700 квадратных градусов, охваченной этими снимками. Кроме того, была получена серия повторных изображений (около 30 сканирований) участка площадью 300 квадратных градусов в южной галактической области.

SDSS-II: 20052008

В 2005 году обследование перешло в новую фазу – SDSS II, расширив наблюдения для изучения структуры и звездного состава Млечного Пути, а также проектов SEGUE и Sloan Supernova Survey, отслеживающего события сверхновых типа Ia для измерения расстояний до удалённых объектов.

Исследование наследия Слоана

Слонское наследие охватывает более 7500 квадратных градусов Северной Галактической Шапки, содержа данные о почти 2 миллионах объектов и спектры более 800 000 галактик и 100 000 квазаров. Информация о положении и расстоянии до этих объектов позволила впервые исследовать крупномасштабную структуру Вселенной, включая её пустоты и нити. Почти все эти данные были получены в рамках SDSS I, однако небольшая часть области покрытия была завершена в SDSS II.

Sloan Extension for Galactic Understanding and Exploration (SEGUE) - расширение по изучению и пониманию галактики

Расширение Sloan для понимания и исследования галактик (SEGUE) получило спектры 240 000 звезд (с типичной радиальной скоростью 10 км/с) для создания детальной трехмерной карты Млечного Пути. Данные SEGUE предоставляют информацию о возрасте, составе и распределении звезд в фазовом пространстве в различных галактических компонентах, что дает важные ключи к пониманию структуры, формирования и эволюции нашей галактики. Звездные спектры, данные наблюдений и каталоги производных параметров, полученные в ходе этого обзора, находятся в открытом доступе как часть Data Release 7 (DR7) SDSS.

Слонское исследование сверхновых

SDSS Supernova Survey, проводившийся с 2005 по 2008 год, выполнял повторные наблюдения одной полосы неба шириной 2,5°, центрированной на небесном экваторе, простирающейся от 20 часов прямого восхождения до 4 часов прямого восхождения, чтобы находиться в южной галактической области (см. Галактическая область) и избегать галактического поглощения. В ходе проекта было обнаружено более 500 сверхновых типа Ia. До конца 2007 года Supernova Survey занимался поиском сверхновых типа Ia. Обзор быстро сканировал площадь в 300 квадратных градусов для обнаружения переменных объектов и сверхновых. В 2005 году было зарегистрировано 130 подтвержденных сверхновых Ia, а в 2006 году – еще 197. В 2014 году был опубликован еще более обширный каталог, содержащий 10 258 переменных и нестационарных источников. Из них 4607 источников являются подтвержденными или вероятными сверхновыми, что делает этот набор самым крупным из когда-либо собранных.

SDSS III: 20082014

В середине 2008 года был запущен SDSS III. Он состоял из четырех отдельных обзоров:

Эксперимент галактической эволюции APO (APOGEE)

Эксперимент APO по изучению галактической эволюции (APOGEE) использовал высокоразрешенную инфракрасную спектроскопию с высоким отношением сигнал/шум для проникновения сквозь пыль, скрывающую внутренние области Галактики. APOGEE провел обследование 100 000 красных гигантов во всем диапазоне галактического балджа, перемычки, диска и гало. Он увеличил количество звезд, наблюдаемых при высоком спектроскопическом разрешении (R ≈ 20 000 при λ ≈ 1,6 мкм) и высоком отношении сигнал/шум более чем в 100 раз. Высокоразрешенные спектры позволили определить содержание около 15 элементов, предоставив информацию о составе газовых облаков, из которых сформировались красные гиганты. Планировалось, что APOGEE будет собирать данные с 2011 по 2014 год, а первые данные были опубликованы в составе SDSS DR10 в конце 2013 года.

Спектроскопическое исследование барионных колебаний (BOSS)

Барьонный осцилляционный спектроскопический обзор (BOSS) в рамках SDSS III был разработан для измерения скорости расширения Вселенной. Он составил карту пространственного распределения светящихся красных галактик (LRG) и квазаров, чтобы определить их пространственное распределение и обнаружить характерный масштаб, запечатленный барионными акустическими колебаниями в ранней Вселенной. Звуковые волны, распространявшиеся в ранней Вселенной, подобно расходящимся кругам на воде, оставили характерный отпечаток на взаимном расположении галактик. Было объявлено, что BOSS измерил масштаб Вселенной с точностью в один процент, и завершил свою работу весной 2014 года.

Многообъектовое исследование радиальной скорости экзопланет (MARVELS)

Многообъектный обзор радиальных скоростей экзопланет APO (MARVELS) осуществлял мониторинг радиальных скоростей 11 000 ярких звезд с точностью и частотой, достаточными для обнаружения газовых гигантских планет с периодами обращения от нескольких часов до двух лет. Этот наземный допплеровский обзор использовал телескоп SDSS и новые многообъектные допплеровские инструменты для наблюдения за радиальными скоростями. Полученные данные использовались в качестве статистической выборки для теоретического сравнения и поиска редких систем. Проект стартовал осенью 2008 года и завершился весной 2014 года.

SEGUE-2

Оригинальное расширение Sloan для углубленного изучения и исследования галактик (SEGUE 1) получило спектры почти 240 000 звезд различных спектральных типов. Развивая этот успех, SEGUE 2 спектроскопически исследовало около 120 000 звезд, уделяя особое внимание звездном гало Млечного Пути, расположенному на расстоянии от 10 до 60 кпк. SEGUE 2 удвоило размер выборки SEGUE 1. Объединение данных SEGUE 1 и 2 позволило выявить сложную кинематическую и химическую подструктуру галактического гало и дисков, предоставив важные сведения об истории формирования и обогащения галактики. В частности, предполагалось, что во внешнем гало преобладают события аккреции, произошедшие на поздних этапах. Данные SEGUE могут помочь уточнить существующие модели формирования звездного гало и послужить основой для следующего поколения высокоточных симуляций формирования галактик. Кроме того, SEGUE 1 и SEGUE 2 могут способствовать обнаружению редких, химически примитивных звезд, являющихся реликтами самых ранних поколений космического звездообразования.

SDSS IV: 20142020

Последнее поколение SDSS (SDSS IV, 2014–2020) расширяет высокоточные космологические измерения на критически важный ранний этап истории Вселенной (eBOSS), расширяет инфракрасное спектроскопическое обследование Галактики в северном и южном полушариях (APOGEE 2) и впервые использует спектрографы Слоана для создания карт с пространственным разрешением отдельных галактик (MaNGA).

Эксперимент галактической эволюции APO (APOGEE-2)

Звездное обследование Млечного Пути, состоящее из двух основных частей: северного обследования, проводимого в период максимальной освещенности в APO, и южного обследования с использованием 2,5-метрового телескопа Дю-Понта в Лас-Кампанас.

Расширенное спектроскопическое исследование барионных колебаний (eBOSS)

Космологическое исследование квазаров и галактик, также включающее в себя подпрограммы по обзору переменных объектов (TDSS) и рентгеновских источников (SPIDERS).

Карта близлежащих галактик на APO (MaNGA)

[[Файл:Hdp middenvlak. svg|мини|Упрощенное графическое представление пучка из 7 волокон. MaNGA измеряет 17 галактик одновременно, используя пучки из 19, 37, 61, 91 и 127 волокон.

SDSS-V: 2020 текущий

Обсерватория Apache Point в Нью-Мексико начала сбор данных для SDSS V в октябре 2020 года. Планируется, что к середине 2021 года в Apache Point произойдет переход от использования плашек (алюминиевых пластин с отверстиями, сделанными вручную для прохождения света звезд) к небольшим автоматизированным роботизированным манипуляторам, а затем, позднее в том же году, аналогичный переход будет осуществлен в обсерватории Лас-Кампанас в Чили. Обзор "Картограф Млечного Пути" нацелен на получение спектров шести миллионов звезд. Обзор "Картограф Черных Дыр" будет изучать галактики для косвенного анализа их сверхмассивных черных дыр. Обзор "Картограф Ближайших Областей" будет направлен на изучение близлежащих галактик для анализа их облаков межзвездного газа.

Доступ к данным

thumbdejiLRG 4 606 – это светящаяся красная галактика. LRG – это аббревиатура, обозначающая каталог ярких красных галактик, обнаруженных в SDSS. Результаты обзора публикуются в открытом доступе в Интернете. SkyServer предоставляет различные интерфейсы к лежащей в основе базе данных Microsoft SQL Server. С помощью этих интерфейсов доступны как спектры, так и изображения, причём они очень удобны в использовании: например, полноцветное изображение любой области неба, охваченной данными SDSS, можно получить, просто указав координаты. Данные доступны только для некоммерческого использования без письменного разрешения. SkyServer также предлагает ряд обучающих материалов, предназначенных для широкой аудитории – от школьников до профессиональных астрономов. Десятый основной релиз данных, DR10, выпущенный в июле 2013 года, обеспечивает прямой доступ к данным SkyServer из Google Sky. Данные также доступны в Планетарии Хейдена с использованием 3D-визуализатора. Кроме того, постоянно расширяется список данных для области Stripe 82 в SDSS. Благодаря вкладу технического директора Джима Грея от Microsoft Research в проект SkyServer, программа Microsoft WorldWide Telescope использует данные SDSS и другие источники. Проект MilkyWay@home также использовал данные SDSS для создания высокоточной трёхмерной модели галактики Млечный Путь.

Результаты

Наряду с публикациями, описывающими сам обзор, данные SDSS использовались в публикациях по широчайшему спектру астрономических тем. На сайте SDSS представлен полный список этих публикаций, охватывающих далекие квазары на границах наблюдаемой Вселенной, распределение галактик, свойства звезд в нашей Галактике, а также такие области исследования, как темная материя и темная энергия во Вселенной.

Карты

На основе публикации Data Release 9 8 августа 2012 года была представлена новая трехмерная карта массивных галактик и далеких черных дыр.