SPACE RESEARCH INSTITUTE
RUSSIAN ACADEMY OF SCIENCES

Space Research Institute
Russian Academy of Sciences

Поиск и исследования происхождения транзиентов различной природы с помощью скоординированных многоволновых наблюдений / Constraining the Nature of Multimessenger Transients with Coordinated Multi-wavelength Observations

Проект «Поиск и исследования происхождения транзиентов различной природы с помощью скоординированных многоволновых наблюдений / Constraining the Nature of Multimessenger Transients with Coordinated Multi-wavelength Observations», выполняется по соглашению № 075-15-2022-1221 от 17.10.2022 г. между Министерством науки и высшего образования России и ИКИ РАН.

Scientific Goals

Первый этап международного Флагманского Проекта «Интеллектуальный телескоп и база данных БРИКС».

Основные цели
  • Проведение и организация наблюдений транзиентных источников для их последующего изучения и описания
  • Начало создания программного аппарата для автоматизации фотометрической и астрометрической обработки астрономических изображений, полученных в результате проведенных наблюдений

Mission Overview

Российская Федерация является страной-участницей международной платформы БРИКС, объединяющей пять стран: Бразилию, Россию, Индию, Китай, ЮАР (BRICS). Страны-участницы БРИКС осуществляет широкое политическое, торгово-экономическое и научно-техническое сотрудничество. Для координации научно-технического сотрудничество стран БРИКС в области астрономии создана специальная Астрономическая рабочая группа БРИКС (BRICS Astronomy Working Group).

Основной целью сотрудничества стран БРИКС в области астрономии и главным содержанием деятельности Астрономической рабочей группы БРИКС является разработка и осуществление международного флагманского Проекта BITDN (Flagman Project “BRICS Intelligent Telescope and Data Network”, Флагманский Проект «Интеллектуальный телескоп и база данных БРИКС»).

Проект BITDN нацелен на создание двух вещей: а) международной наземной сети телескопов стран БРИКС, работающих в различных диапазонах электромагнитного спектра, б) создание базы данных стран БРИКС для мониторинга и исследований всего разнообразия наблюдаемых астрофизических транзиентов. В рамках Проекта BITDN будут проводиться скоординированные наземные и космические многоволновые наблюдения (гамма-, оптический, инфракрасный и радиодиапазоны) таких астрофизических транзиентов, как космические гамма-всплески (GRB, Gamma Ray Burst), быстрые радиовсплески (FRB, Fast Radio Burst), электромагнитные компоненты нейтринных событий, электромагнитные компоненты гравитационно-волновых явлений (килоновая), регистрируемых гравитационно-волновыми детекторами LIGO-Virgo-KAGRA (LVK).

Проделанные работы являются первыми по плану для реализации Проекта. Полученные результаты данного этапа будут использоваться на всех последующих. Среди прочего, организация и проведение совместных наблюдений на инструментах, доступных странам-участницам БРИКС, будут проводиться и в последующие этапы Проекта. Привлечение инструментов Иностранных организаций необходимо для проведения многоволновых наблюдений от гамма-диапазона до радиодиапазона. 

Поддержка российских организаций и российских ученых в сотрудничестве стран БРИКС по астрономии осуществляется Министерством науки и высшего образования Российской Федерации (далее — Минобрнауки России). Для поддержки такого сотрудничества в очередной 3-летний период 2022–2024 гг. Минобрнауки России в 2022 г. провело очередной и второй по счету (первый состоялся в 2017 г.) национальный конкурс проектов БРИКС. По результатам конкурса Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт космических исследований РАН (далее — ИКИ РАН) наряду с соисполнителями и иностранными организациями в период 2022–2024 гг. будут осуществлять научно-исследовательские работы по тематике БРИКС в целях развития и продвижения флагманского Проекта BITDN.

Mission Results

Далее перечислены научные результаты, полученные за первый этап реализации проекта.

От российской стороны
  1. Поданы и одобрены заявки на оптические телескопы ЗТШ, Цейсс-2000, БТА, а также на космическую обсерваторию INTEGRAL. 
  2. Разработан алгоритм организации наблюдений транзиентов в соответствии с астроклиматическими условиями. 
  3. Разработана методика обработки астрономических изображений, полученных в результате проведенных наблюдений. Отработан алгоритм первичной редукции кадров, выбраковки, выравнивания, сложения, астрометрического решения и поиска вторичных фотометрических стандартов. 
  4. Создана группа по разработке ПО для автоматической организации наблюдений и конвейера обработки изображений. 
  5. Проведены многоцветные фотометрические снимки семи космических гамма-всплесков в общем количестве порядка 59 сетов наблюдений в разные эпохи и разных фильтрах на телескопах сети GRB IKI-FuN, включающих в себя, в частности, ЗТШ, Синтез-Ньютон, АЗТ-33ИК, БТА, Цейсс-1000, РК-500 и АЗТ-20. Полный список всех проведённых наблюдений приводится в основном документе отчёта. 
  6. Был проведён поиск кандидатов в транзиенты во всех отснятых площадках. Полный список найденных кандидатов приводится в основном документе отчёта. 
  7. Было проведено моделирование кривых блеска двух оптических компонентов гамма-всплесков, подробности приведены в основном документе отчёта. 
  8. Используя данные, полученные в результате оптических наблюдений, а также данные в рентгеновском диапазоне длин волн, стало возможным построение широкополосных спектральных распределений GRB 221009A в несколько эпох, подробности приведены в основном документе отчёта. 
  9. Был обнаружен по крайней мере один кандидат в новые FRB – на дату 2019-02-03 02:18:10.284 UTC. Были получены ограничения на поток (либо его измерения в случае обнаружения) не менее 15 известных быстрых радио-всплесков в полосе 109-110.5 МГц в диапазоне склонений от 3.5 до 56 градусов с.ш. в новых и архивных данных, получаемых в ПРАО АКЦ ФИАН в обзорном режиме. Подробности приведены в основном документе отчёта. 
  10. Работы по созданию элементов автоматического конвейера фотометрической обработки данных были начаты с разработки астрометрического модуля, отвечающего за отождествление изображений с известными каталогами и поиск некаталогизированных источников. На первом этапе база данных располагается на локальном сервере, и доступ к ней открыт только для исполнителей проекта. Фрагмент базы данных приводится в основном документе отчёта. 
  11. Для исследования гамма-всплеска GRB 221009A в гамма-диапазоне привлекались публичные данные экспериментов SPI-ACS, ISGRI-MCAL обсерватории INTEGRAL, а также экспериментов GBM/Fermi и MGNS/Bepicolombo. Полученные данные обрабатывались оригинальным программным пакетом, написанном на языке IDL. Базовая обработка представляла собой построение кривых блеска, их кросс-корреляционный анализ для синхронизации шкал времени в различных приборах, а также моделирование и вычитание фонового сигнала. Полученные кривые блеска использовались в дальнейшем, в частности, для поиска и исследования компонента продленного излучения этого гамма-всплеска, а также для оценок и учета инструментальных эффектов мертвого времени. 
  12. На первом этапе проводилось увеличение статистической выборки параметров источников гаммавсплесков для дальнейшего построения статистических зависимостей.
Результаты работ иностранных партнёров на первом этапе

Индия: Наем рабочих кадров в первые месяцы для вовлечения ее в полноценную деятельность по многоволновым (MWL) наблюдениям. Написание и представление рецензируемых заявок для последующих MWL наблюдений на различных телескопах, а именно: 0,7 м GIT, 1,04 м ST, 1,3 м DFOT, 2,3 м VBT, 3,6 м DOT, 2,01 м HCT, u-GMRT и AstroSat. Разработка конвейера для эффективной обработки данных. Взаимная калибровка данных, полученных с разных телескопов. Использование методов AI/ML для выявления новых транзиентов, обнаруженных 4,0-метровым ILMT. Обучение персонала и изучение современных аспектов обработки данных. Были организованы и проведены наблюдения космических гамма-всплесков GRB 221009A, GRB 221028A, GRB 221120A, GRB 221218A, GRB 221231A. Был сделан аналитический обзор современной научно- технической, нормативной, методической литературы на тему «Современное состояние исследований космических транзиентов совместно в оптическом и инфракрасном диапазонах». 

Бразилия: Была разработана роботизированная инфраструктура для телескопов Национальной лаборатории астрофизики, которые будут использоваться для астрономических исследований в рамках коллаборации БРИКС. Завершена разработка передового оборудования для телескопов LNA, включая спектрографы ECHARPE и STELES, а также поляриметр SPARC4. Эти инструменты будут использоваться для сбора данных в рамках сотрудничества БРИКС. Кроме того, были приготовлены приглашения студентов и докторантов для участия в бразильской команде БРИКС. Были организованы и проведены наблюдения космических транзиентов. Был сделан аналитический обзор современной научно- технической, нормативной, методической литературы на тему «Исследования компонентов быстрых радиотранзиентов в оптическом и инфракрасном диапазонах»: статьи в ведущих зарубежных научных журналах, посвященных радионаблюдениям. 

ЮАР: Завершение внедрения программного обеспечения TOM и AEON для использования на 1,0-метровых телескопах Lesedi в качестве начального теста автоматических триггеров оповещения. Распространение соответствующих протоколов связи другим обсерваториям БРИКС, участвующим в программе O4. Внедрение системы AOEN для быстрого реагирования на переходные процессы с помощью SALT. Настройте Slack-канал для участников программы. Завершение заявки MeerKAT Target of Opportunity (ToO) для отслеживания O4 событий GW. Создание местной группы отслеживающих наблюдения, включая участвующих аспирантов. Был сделан аналитический обзор современной научно- технической, нормативной, методической литературы на тему «Спектральные и фотометрические характеристики оптических компонентов космических транзиентов». 

Китай: Построен узел mini-SiTian, состоящий из трех 30-сантиметровых телескопов. Каждый тестовый телескоп имеет поле зрения 2,35° x 2,35° и оснащен g, r или i фильтром. Сейчас узел проходит испытания и вскоре будет готов к пуско-наладочным наблюдениям для тонкой настройки одновременной работы блока из трех телескопов. Параллельно был изготовлен первый 1,2-метровый SiTian-телескоп (из тех, что будут использоваться в будущем полном массиве) с большим полем зрения 5 x 5 градусов. Он будет установлен в куполе обсерватории Синлун (недалеко от Пекина) для испытаний в начале 2023 года. Были организованы и проведены наблюдения таких транзиентных источников как LXT 221107A, LXT 221227A. Был сделан аналитический обзор современной научно- технической, нормативной, методической литературы на тему «Современное состояние оптических и гамма- наблюдений космических транзиентов». 

Основные научные результаты по проекту и перспективы их использования

В соответствии с техническим заданием и календарным планом работ были проведены наблюдения транзиентных источников. Полученные астрономические изображения были обработаны, в каждую из эпох наблюдений. В связи с заключением соглашения между Минобрнауки и ИКИ РАН 17.10.2022 количество наблюдаемых источников за первый этап Проекта оказалось меньше планируемого (10 штук в год). Были получены фотометрические оценки обнаруженных кандидатов в транзиенты. Были поданы заявки на наблюдения на наземных обсерваториях. Была представлена заявка для космической обсерватории ИНТЕГРАЛ. Была разработана методика определения времени и места наблюдений необходимых источников в соответствии с астроклиматическими условиями. Была разработана методика фотометрической обработки астрономических изображений. Была разработана процедура совместного использования данных с разных телескопов с целью их дальнейшего использования. Была создана рабочая группа по разработке конвейера по обработке данных и поиску транзиентов. Были проведены астрометрическая и фотометрическая обработки наблюдений. Были созданы элементы программного конвейера для поиска кандидатов в тарнзиенты. Был проведен поиск кандидатов в транзиенты в полученных данных. Была построена многоцветная кривая блеска гамма-всплеска GRB 221009A, обнаруженного и наблюдаемого во время этапа 1. Был построен широкополосное спектральное распределение гамма-всплеска GRB 221009A. Был проведен поиск транзиентов в радиодиапазоне, в результате которого было выбрано около 30 источников из каталога FRB, пригодных для совместной обработки. Была проведена обработка данных, полученных космическими обсерваториями INTEGRAL, Fermi, Swift, AstroSat. Был проведен поиск транзиентов в гамма-диапазоне. Были исследованы спектрально-временные свойства транзиентов в гамма-диапазоне. Достигнуто увеличение статистической выборки параметров источников гамма-всплесков для последующего анализа статистических зависимостей. Было проведено исследование моделей излучения транзиентов с целью дальнейшего определения физических параметров источников излучения. Была создана база данных наблюдений транзиентов, которая будет поддерживаться и пополняться по мере проведения наблюдений. Работы по разработке сайте не проводились, так как они не были предусмотрены Планом работ для данного этапа. Проделанные работы являются первыми по плану для реализации Проекта. Полученные результаты полностью соответствуют научно-техническому уровню мировых достижений. Полученные результаты данного этапа будут использоваться на всех последующих. Но уже на первом этапе Проекта удалось провести уникальные наблюдения самого яркого за всю историю наблюдений с 1967 г. космического гамма-всплеска GRB 221009A, а также обнаружить в архивных данных новый быстрый радиовсплеск (FRB). В результате реализации первого этапа Проекта налажено тесное взаимодействие с соисполнителями (ИНАСАН, ИСЗФ РАН, ИПМ РАН, ПРАО ФИАН). Кроме того, продемонстрирована необходимость и возможность международной кооперации со всеми странами БРИКС. Особенно это актуально для использования уникальных инструментов и аппаратуры, отсутствующей в России и получения доступа к наблюдениям астрономических источников в южном полушарии. Совместное выполнение исследований международной кооперацией стало возможным благодаря предварительной проработке различных аспектов создания международной сети стран БРИКС для наблюдений транзиентных астрономических объектов. Взаимодействие с иностранными организациями необходимо для дальнейшего совместного использования инструментов, доступных межгосударственному объединению БРИКС, для проведения всеволновых наблюдений от гамма-диапазона до радиодиапазона. 

Leading Organizations and Principal Investigators

Институт космических исследований Российской академии наук

In Collaboration With

  • Институт астрономии Российской академии наук (ИНАСАН)
  • Институт солнечно-земной физики Сибирского отделения Российской академии наук (ИСЗФ СО РАН)
  • Институт прикладной математики им. М. В. Келдыша Российской академии наук (ИПМ РАН)
  • Пущинская радиоастрономическая обсерватория Физического института им. П. Н. Лебедева Российской академии наук (ПРАО ФИАН)