П А Т Р У Л Н И Ф О Т О М Е Т Р И Ч Н И

Н А Б Л Ю Д Е Н И Я   Н А   К В А З А Р И

Project MEGAPHOT

Гравитационни ефекти могат да създадат разделяне на изображенията на квазарите. Корелацията между кривите на

блясъка на отделните изображения на така разделения образ на квазара дава надежда да бъде измерено времето на забавяне между отделните пътища на светлината и така да бъде определено разстоянието както да квазара, така и до галактиката, която създава гравитационната леща. Регистрирането на микрогравитационни ефекти, предизвикани от звезди в галактики съвпадащи по направление с квазари, за статистически подбрана извадка от квазари, е един от методите за определяне разпределението на масите в тези галактики и следователно един от подходите за търсене на отговор на въпроса за разширението на вселената. Неразбирането на същността за вътрешната променливост

на квазарите е свързано с липсата на достатъчни по количество и качество криви на блясъка, и затова познанията ни в тази област са все още бедни. Добре подбрани образци на криви на блясъка, с фотометрична точност по-добра от 1% би дала възможност за по-добро разбиране

на физиката на самите квазари. Някои квазари с

период на променливост по-малко от едно денонощие и с амплитуда по-голяма от 1 зв. вел. могат да бъдат регистрирани посредством едно международно сътрудничество, което дава възможност за 24 часово покриване на кривата на блясъка.

Това е същността на тази съвместна международна

програма за патрулиране на квазари. Целта е да се координират фотометричните наблюдателни програми на различните телескопи и да се получат много прецизни криви на блясъка на гравитационно разделени квазари и физически променливи квазари. Координацията между отделните телескопи ще даде възможност да бъдат получени криви на блясъка с много малки пропуски по време, а също така и с висока точност поради многобройния материал. Предполога се да има поне един общ наблюдателен сезон на година за всичките телескопи участващи в програмата, което ще даде възможност за 24 часово регистриране на кривите на блясъка, което е

особено важно при някои квазари с много малки временни скали на променливост.

ВЪВЕДЕНИЕ

Съвременните космологични представи за вселената се базират на много неопределености. Какво е пълното количество вещество във вселената? Ще се разширява ли вселената безкрайно или ще започне да се свива в определен момент в далечно бъдеще? Каква е възрастта на сегашната вселена? Е ли зависимостта на Хъбл универсален закон, даже и на много големи разстояния? Каква е физическата същност на енергията на тези ярки квазари намиращи се в крайната част на наблюдаемата вселена? и др.

Отговорите на тези фундаментални астрофизични въпроси в настоящия момент са незадоволителни. Определянето на разстоянията до галактиките с червено преместване по-голямо от 0.1 е с точност около 2 пъти. Съвсем до скоро резултати получени от близката вселена се екстраполираха даже до z=5 или повече.

Тази ситуация би могла да бъде коренно променена

посредством анализ на гравитационните лещи.

За пръв път през 1937 г. Цвики описва възможността за гравитационна леща като следва идеите на А. Айнщайн. Но от наблюдателна гледна точка тази идея не е могла да бъде реализирана. С откритието на квазарите в началото на шейсетте години тази ситуация се променя. През 1964 Рефсдал дискутира възможността за използване ефекта гравитационна леща за определяне константата на Хъбл и масите на галактиките. Тази първа работа върху гравитационни лещи е потвърдена по-късно с откритието на първата гравитационно разделена система 0957+561, тъй наречената "Двоен квазар". От тогава броят на откритите такива системи е нарастнал на около 15.

Идеята за микрогравитационните ефекти дължащи се на отделни звезди в близколежащи галактики също е изследвана от различни автори. В действителност изглежда доста вероятно голяма част от видимите, предимно ярки квазари да са

подложени на ефект на усилване в резултат на такива микрогравитационни ефекти.

Възможността за определяне на космологични параметри от явлението гравитационна леща е тясно свързано с възможността за регистриране на много прецизни и с голямо разрешение криви на блясъка на яркостните изменения на изображенията на квазарите. Определянето на времезабавянето на светлинните лъчи в многократно разделена система от изображения на квазар или за определяне на профила на усилване, причинено от микрогравитационни ефекти, може да бъде успешно само когато бъдат получени данни с висока прецизност и съдържащи много детайли.

За съжаление тези оптимални резултати са реализирани само за много малко обекти. Това е резултат от липсата на системни периодични наблюдения, било поради лоши метеорологични условия или други причини. За някои квазари с много бързи периоди на променливост са получени само части от кривите на блясъка. В някои случаи при многократните изображения на квазари, ниската разделителна способност на изображенията, понякога и в комбинация с дифузните структури на самата галактика, правят невъзможно използването на кривите за определянето на космологични параметри.

Модерните технологии за редукция на изображения,

по-добрите фотометрични качества на CCD камерите и предимствата на съвременните телескопи дават надежда за получаване необходимите криви на блясъка в недалечно бъдеще. Потенциалът на съвместното международно сътрудничество би дал възможност за получаването на тези важни резултати и да бъде мощен инструмент за изучаването на гравитационните лещи и физиката на квазарите. На тази тема е посветен и 31 Международен астрофизически колквиум в Лиеж на тема: "Гравитационните лещи във вселената"(21-25 юни 1993, повече от 100 участници).

НАУЧНА ОБОСНОВКА

Светлинният лъч идващ от далечен квазар, когато минава много близо до гравитационния потенциал на галактика проектираща се близо или съвпадаща по лъча на зрение, ще бъде изкривен. Ефектът е толкова по-силен, колкото по-близо светлинният лъч минава до центъра на масите на галактиката. При определени условия изображението на квазара може да бъде разцепено на две или повече изображения (макрогравитационен ефект). През 1979 Уолш за пръв път регистрира такава гравитационно разделена система, тъй наречената "Двоен квазар" 0957+561.

От тогава са регистрирани около 10-15 такива

многократни изображения на квазари. "Кръстът на Айнщайн" 2237+0305 е със сигурност една от най-впечатляващите системи. Вътре в голяма галактика четири изображения на далечен квазар (z=1.7) са подредени много близо около яркият център на галактиката. Разстоянието да центъра на галактиката е по малко от 1".

"Кленовото листо" е също толкова впечатляващо. Също както и при Кръста на Айнщайн, четири изображения във формата на кленово листо, могат да бъдат наблюдавани при много добри условия при разрешение не по-голямо от 1". За разлика от Кръста на Айнщайн, ярка галактика в този случай не се наблюдава.

За пръв път микрогравитационнен ефект е наблюдаван на

CFHT телескопа на Хавайските острови, регискрирайки различни яркостни изменения в четирите изображения на Кръста на Айнщайн, въпреки че и досега пълно изследване не е проведено. Микрогравитационният ефект е причинен от отделни звезди на прилежащата галактика. Изображението на квазара се измества поради това, че светлинният лъч минава много близо до гравитационното поле на звездите в галактиката. Разликите в относителните скорости проектирани в равнината източник, изкривената равнина и равнината на наблюдателя водят до изменения във видимата яркост на квазара. Теоретични симулирания показват какви трябва да бъдат кривите на блясъка в този случай. Ефектите на по- значително усилване би трябвало да бъдат наблюдаеми. Ако квазарът минава през критични линии, усилването на яркостта би трябвало да може да се регистрира и да има възможност за сравняване с теоретически предсказаните амплитуди, които достигат до няколко зв. вел. Профилът на това

усилване се модулира върху вътрешната променливост на квазара в равнината източник. Обяснението на

наблюдаемата крива с теоретичните модели ще даде възможност за регистриране на тези ефекти и от друга страна за изясняване вътрешната физическа природа на квазарите.

СЪВМЕСТНО МЕЖДУНАРОДНО СЪТРУДНИЧЕСТВО

Регистриране на криви на блясъка при много добра база данни може да бъде осъществено само, или ако има телескоп изцяло посветен на тази задача поставен при отлични астрономически условия, или посредством кооперация между наблюдателните програми осъществявани на различни обсерватории по света. Така необходимото регистриране и разрешаване на ултра бързи квазарни промени би било възможно само при участието на няколко телескопа в различни части на света за осигуряване непрекъснат 24 часов патрул. Проблемите с липса на наблюдателно време, метеорологичните условия и други свързани с отделните телескопи биха могли да бъдат решени, ако няколко обсерватории работят по един и същ проект.

Основата на проект по регистриране и обработка на криви на блясъка на квазари е заложена в Хамбург - Hamburg Quasar Monitoring Project (HQM). Познанията натрупани от този проект ще послужат като основа за настоящия, в който е включена и България. От септември 1988 група по гравитационни лещи в Хамбург (S. Refsdal, J. Schramm, U. Borgeest) провежда патрулни наблюдения на квазари с 1.2 м телескоп в Калар Алто - Испания, който е под администрация на Макс Планк Института по Астрономия в Хайделберг, Германия. Този проект е много продуктивен тъй като ползва за тази задача до 25% от наблюдателното време и благодарение на много бързият наличен софтуеър свързан с телескопа.

Поради необходимостта от получаване на криви на

блясъка с много малки пропуски по време и за наблюдаване на разделени квазари с максимална разделителна способност, съвместната програма Мегафот (Megaphot) е започната в Хамбург през март 1993. Целта е да се построи автоматичен 2.5 м телескоп на едно от идеалните астрономически места с изображение много често под 1" и с повече от 200 ясни нощи на година. 20 астрономи от Германия и Финландия вече са се присъединили към това сътрудничество. Телескопът няма да започне работа преди 1996, въпреки че фирмата е предложила пробен телескоп, който ще влезе в действие през 1995. Този 2.5 м телескоп би трябвало да може да патрулира 1000 квазара най-много за около 10 нощи и да достига фотометрична точност около 1%. Необходимо е участието на повече телескопи в това

сътрудничество, които да покрият пропуските дължащи се на технически или метеорологични проблеми. Също така, международното сътрудничество ще служи и като контрол на фотометричните данни получени на различните телескопи и ще осигури 24 часово покритие за квазарите, чиито криви на блясък имат много малки временни вариации.

Понастоящем продължават контактите за търсене на подходящи перспективни партньори. Следва списък на телескопите вече включени в проекта или при които се водят преговори за това:

Калар-Алто 1.23м телескоп (HQM - project)

2м телескоп НАО Рожен - България

0.6м телескоп АО Белоградчик - България

2.7м NOT-телескоп, Ла Палма

Китайски групи (телескопи от 1.0 до 2.16м)

Корейска Астрономическа Обсерватория (1.8м, ще влезе в действие скоро)

0.7м телескоп на Landessternwarte Heidelberg, Германия Френски групи -Haute Provance, Pic de Midi

ЦЕЛИ  НА  ЗАДАЧАТА

1. Квазари с многократно разделени изображения

Квазарите с многократно разделени изображения са най-важните обекти за определяне на космологични параметри, например константата на Хъбл. Следователно, необходимо е да се получат добри образци на криви на блясъка на отделните изображения на квазара. Проблема с определяне на времезабавянето при "Двойния Квазар" се дължи на недостатъчното количество наблюдателен материал. Колкото по-малко е разделянето на изображението, толкова по-сложна е задачата. Квазарите 0957+561, 0141-100, 1115+080 са системи с разделяне по-голямо от 2" и даже в тези случаи фотометрическият анализ е силно затруднен. При други обекти, такива като 2237+0305 или H1413+117 с отделяне под 1" или даже по-малко, е необходимо наблюдателните условия да са възможно най-добри. Всяко получено наблюдение дава шанс за разделяне на системата и следователно има голяма научна стойност. Такива условия са рядкост и не са често явление даже на най-добрите по отношение на астроклимата места. Независимо от това, дори когато системата не се разделя, интегралната фотометрична величина на всички компоненти дава шанс за интерполация между данните получени при по-добри условия.

2. Микрогравитационни ефекти

Най-добри възможности за регистриране на микрогравитационни ефекти съществуват при обекти с висока светимост в оптическия диапазон. За анализ на статистически ефекти е необходим пълен каталог на такива обекти. За целта са избрани от "1 Jy catalogue" на Stickel & Kuhr обекти, които да послужат като база при тези наблюдения и удовлетворяващи следните ограничения:

mV < 18.5, z >= 1.0, S5GHz > 1Jy

Тази извадка е също така добра за изследване на

вътрешната физическа променливост на квазарите. На основа на получените криви на блясъка ще бъдат анализирани ефекти на променливост в резултат на изхвърляне на джетове дължащи се на движения с релативистични скорости или на периодични ефекти на акреционни дискове.

3. Бързо променливи квазари

Някои квазари тип "блазари" показват много бърза променливост, понякога до няколко часа или по-малко, като измененията на блясъка могат да достигнат да 1 зв.вел. по време на една наблюдателна нощ. Естествено, в по-голямата си част тези промени се дължат на вътрешната структура на квазара, като много малък процент от тази променливост може да се дължи на микрогравитационни ефекти. Разделянето на двата ефекта ще бъде възможно само в някои много специални случаи. Анализът на кривите на блясъка свързани с вътрешните процеси в квазара в резултат на дискова акреция или джетове или пълното изучаване на физиката на джетовете, е възможно при наличието на криви на блясъка покриващи целият 24 часов интервал. Следователно, тези криви на блясъка трябва да се наблюдават от международна програма, като телескопите са добре подбрани в съответствие с географската дължина.

Особен интерес представляват блазарите 0235+164, 0716+714 и 2223-052. Тези обекти трябва да бъдат наблюдавни в продължение на 10 дневен период от всичките включени в проекта телескопи. Също така, трябва да бъдат наблюдавани и блазарите 3C345 (1641+399), 0420-014, 1510-089, които биха могли да покажат бързи промени.

ПРОГРАМА

1. Продължителност на проекта

За регистриране на поне един сигурен микрогравитационен ефект програмата трябва да има продължителност повече от 3 години. Опитът с програмата на Калар-Алто показва, че от 100 обекта само около 5 показват интересни явления, които биха могли да се дължат на микрогравитационни ефекти. Поради пропуски някои от тези явления са трудни за изследване, при други изследванията продължават понастоящем.

Предполага се наличието на 4 периода в годината с еднакво разпределени наблюдателни интервали, всеки по 3-5 нощи. Предполага се да се координират наблюдателните периоди с наблюдателните програми на всички телескопи участващи в сътрудничеството. Тези периоди трябва да бъдат така координирани, че да се постигне максимално покритие на кривите на блясъка.

Предполага се един допълнителен период от 10 нощи, който да върви паралелно с наблюдателните програми на обсерваториите. Това ще даде възможност за 24 часово покритие на бързо променливите обекти (напр. 0235+164, 0716+714, 3C345, 2223-052).

2. Материална база

Прдполага се наличието на следната материална база: CCD камера за получаване относителна фотометрия между

квазарите и стандартните звезди.

Система филтри Johnson Red (най-чувствителна поради квантовата ефективност на чипа), в някои случаи система Johnson B, V, I също ще е необходима.

Компютърна система за първоночална обработка на

наблюдателния материал.

3. Експозиции

За всеки квазар, нармално по-ярък от 18.5 зв. вел., трябва да се получат поне по една експозиция от 100 сек. и една от 500 с червен филтър. Кратките експозиции ще бъдат използвани за отстраняване на грешките причинени от космични лъчи в профилите на квазарите или стандартните звезди и за контрол на грешките при фотометричните редукционни процедури. В началото на всяка нощ трябва да се получат набор от плоски полета и ток на тъмно по стандартните процедури.

4. Редукция и софтуеър

Почти автоматичен работещ пакет програми за редукция на изображения е разработен в Хамбургската обсерватория. Този пакет работи под VMS операционна система. Софтуерът дава възможност за получаване на фотометрични резултати с 0.2 до 3% точност даже при различни изображения и наблюдателни условия и достатъчно количество стандартни звезди в площадката.

Тази програма изисква VMS система (VAX workstation). Тъй като за българските участници такава система не е достъпна, копия от всички CCD изображения направени в България ще бъдат изпращани в Хамбургската обсерватория възможно най-бързо. Това се отнася за всички групи от другите страни включени в проекта и не разполагащи с такава система. Получените криви на блясъка ще бъдат изпращани на групите участници след провеждане на редукциите.

5. Архиви на данните

За бъдеща работа с получените патрулни наблюдения и фотометрични резултати е необходимо да се пазят оригиналните и обработените данни. За анализ на данни с по-добри редукционни процедури , за по-детайлни изследвания със специален интерес или за други цели, всички първоначални данни ще се пазят в Хамбург върху ленти и всички обработени изображения с добро качество ще се пазят на CD-ROM. Всички данни, не обработени изображения, обработени изображения, фотометрични данни и др. ще бъдат предоставяни свободно на всички институти включени в проекта.