СПОСОБ ПРИВЯЗКИ КООРДИНАТ НЕБЕСНЫХ РАДИОИСТОЧНИКОВ К ОПТИЧЕСКОЙ АСТРОМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ КООРДИНАТ ЛИПОВКА-КОСТКО-ЛИПОВКА (ЛКЛ, англ. LKL) Российский патент 2012 года по МПК G01S3/02 G01S3/78 G01C21/00 

Изобретение относится к сфере научных и технических проблем, изучаемых в радиоастрономии, астрофизике, астрометрии, геодезии и навигации, и может быть использовано для привязки радионеба к оптическому небу для создания фундаментального каталога опорных радиоисточников высокой плотности, имеющих правильные оптические отождествления для целей космической навигации, для исследования природы небесных объектов в широком диапазоне длин волн, для изучения радиорефракции в космическом пространстве, для уточнения полученных сведений о космических объектах в радиодиапазоне, что очень важно для понимания эволюции Вселенной.

Для оценки новизны и технического уровня заявленного решения рассмотрим известные заявителю технические средства аналогичного назначения, которые характеризуются совокупностью сходных с заявленным изобретением признаков, известных из сведений, ставших общедоступными до даты приоритета изобретения.

Известный в настоящее время способ привязки радионеба к оптическому ICRF2 (англ. International Celestial Reference Frame - «Международная небесная опорная система») [http://rorf.usno.navy.mil/ICRF2/] базируется на немногочисленном каталоге радиоисточников (3414 объектов) с плотностью их расположения на небе приблизительно один объект на десять квадратных градусов для северного неба (DEC>-37°). Прежде всего отметим, что обзоры на интерферометрах выполняются на небольших площадках порядка одного квадратного градуса и меньше, в результате чего большая часть площадок не имеет даже одного опорного объекта, в то время как для точной привязки исследуемой площадки необходимо иметь не менее трех опорных объектов на площадке.

Основная критика привязки радионеба по ICRF2 опорному каталогу заключается в следующем:

1. При использовании привязки радионеба по ICRF2 опорному каталогу оказывается, что подавляющее большинство радиоисточников будет попадать в оптическом изображении в пустое поле (Empty Field).

2. Наши исследования показали, что значительная часть из этих опорных объектов представляет из себя радиоисточники, которые случайным образом совпали с оптическими объектами, то есть не все опорные объекты этого каталога имеют достоверные оптические отождествления.

3. В методе привязки радионеба по ICRF2 опорному каталогу ничего не упоминается о радиорефракции в атмосфере Земли в сантиметровом диапазоне волн, которая значительна особенно вблизи гаризонта и должна учитываться в радиообзорах, выполненных в азимутах и на малых высотах.

4. Если приводится высокоточная координата радиоисточника, отождествленного с квазаром, то в пределах одного лепестка диаграммы направленности интерферометра должно совпадать не менее трех радиоисточников с оптическими объектами. Только в этом случае можно утверждать, что привязка радионеба к оптическому выполнена правильно, включая ориентацию отнаблюденной площадки, и утверждать, что координата радиоисточника, рекомендованного в опорные объекты, вычислена правильно.

5. При использовании метода ICRF2 привязки радионеба к оптическому предполагается, что радиоволны распространяются в космическом пространстве прямолинейно и не испытывают искажения траектории при прохождении через межзвездное пространство, что не соответствует действительности.

Разработанный нами метод (ЛКЛ) привязки радионеба к оптическому учитывает обнаруженное нами и ранее неизвестное явление смещения радиокоординат галактик, квазаров, объектов типа звезд и газовых туманностей относительно друг друга из-за рефракции радиоволн в космическом пространстве.

Наш метод приводит к высокой степени достоверности привязки подавляющего большинства радиоисточников к оптическому небу.

Обнаруженная нами радиорефракция в космическом пространстве зависит от характеристик Межзвездной и Межгалактической сред (МЗС, МГС) (плотности, градиента плотности, температуры, степени ионизации), от удаленности небесных объектов и все это необходимо учитывать при выполнении оптических отождествлений радиоисточников.

При патентном поиске нами обнаружено единственное изобретение N 2002273 С1, автор Алексеев В.А. «Способ определения связи небесных координат, установленных в оптическом и радиодиапазонах», близкое по тематике к поставленной нами задаче привязки радионеба к оптическому небу.

1. Этот метод не может быть применен к наземным измерениям радиокоординат небесных объектов, поскольку «радиоизлучение принимают с помощью радиоинтерферометра, расположенного в космическом пространстве».

2. Существенным недостатком метода Алексеева В.А. является привязка двух систем координат (оптической и радио) по двум точкам, в то время как известно, что для определения местоположения объекта на небе требуется три опорных объекта и один контрольный объект, координаты которых известны с высокой точностью. Таким образом требуется порядка 10⁵-10⁶ опорных объектов, равномерно расположенных на северном небе, чтобы правильно привязать радионебо к оптическому.

Такое количество опорных объектов могут обеспечить только Фундаментальные каталоги опорных звезд типа FK6 и UCAC каталога [http://ad.usno.navy.mil/UCAC/].

3. Автор не учитывает радиорефракцию в космическом пространстве, которая даже на высоких галактических широтах составляет ±3 мин дуги, что будет существенно влиять на точность измеренных координат.

В основу настоящего изобретения положено решение технической задачи измерения и регистрации радиокоординат и физических характеристик небесных объектов в радиодиапазоне, а также физических характеристик МЗС, МГС с большой степенью достоверности и точности по сравнению с вышерассмотренными способами.

В настоящее время общепризнанной точкой зрения является утверждение, что на высоких галактических широтах (b>2) радиоизлучают только внегалактические объекты, которыми являются активные галактики и квазары («Nearly all discrete radio sources more than 1 or 2 from the Galactic plane are extragalactic». P.1694. The NRAO VLA SKY SURVEY, J.J.Condon, W.D.Cotton, E.W.Greisen, Q.F.Yin, R.A.Perley, G.B.Taylor, J.J.Broderick. The Astronomical Journal, 115, 1693-1716, 1998 May).

Мы утверждаем, что эта точка зрения ошибочна.

В 1985 году нами были выполнены оптические отождествления при помощи блинк-компаратора в Национальном Институте Астрофизики Оптики и Электроники (Тонанцинтла, Мексика) по стеклянным копиям Паломарского небесного атласа. В качестве опорных звезд для привязки радиокоординат использовались опорные звезды Пулковских каталогов. Уже тогда было обнаружено плохое совпадение координат радиоисточников с оптическими объектами типа галактик и квазаров, а также то, что имеется радиоизлучение от звездообразных объектов [Препринт N37 л, Академия наук СССР, Специальная астрофизическая обсерватория, Ленинградский филиал, 1986 г, Липовка Н.М., Э.Чавира - Наваррете «Оптические отождествления слабых радиоисточников»]. [Препринт N 81 СПб Специальной астрофизической обсерватории РАН, Э.Чавира-Наваррете, О.В.Кияева, Н.М.Липовка, А.А.Липовка, «Методика проведения оптических отождествлений на приборах типа блинк-компаратора»]. [Препринт N88 СПб Специальной астрофизической обсерватории РАН, Э.Чавира-Наваррете, Н.М.Липовка, А.А.Липовка, «Оптические положения 748 слабых диффузных объектов и Галактик в окрестности радиоисточников RC-каталога», 1993 год].

Ошибочность приведенного выше утверждения, что радиоизлучают только внегалактические объекты, подтверждается также нашими последними исследованиями по оптическим отождествлениям радиоисточников, выполненными способом ЛКЛ. Оказалось, что часть радиоисточников отождествляется с галактиками и квазарами, но значительная часть радиоисточников отождествляется со звездами. Наиболее яркие звезды принадлежат местному спиральному рукаву Галактики, в котором расположена наша Солнечная система.

Задачей заявляемого способа является повышение достоверности и точности привязки радиоисточников к оптическим объектам путем использования нижеизложенной последовательности операций при вычислении астрометрических экваториальных координат радиоисточников и определении истинных физических характеристик небесных объектов, а также характеристик МЗС, МГС в широком диапазоне длин волн.

Сущность заявляемого изобретения как технического решения выражается в следующей совокупности и последовательности существенных признаков, достаточных для достижения указанного выше, обеспечиваемого изобретением технического результата.

Способ привязки координат небесных радиоисточников к оптической астрометрической системе координат Липовка-Костко-Липовка (ЛКЛ, англ. LKL)

Способ привязки координат радиоисточников к оптическим светилам, предлагаемый нами (ЛКЛ), отличается тем, что привязка координат осуществляется по следующим правилам:

привязку радионеба производят непосредственно к оптическому небу;

оптические отождествления выполняют на площадке, размер которой не превышает размер участка неба, определяемого лепестками диаграммы интерферометра;

определяют совокупность радиоисточников и адекватную им совокупность оптических небесных объектов;

идентифицируют морфологическую принадлежность радиоисточников (галактики, квазары, туманности, звезды близкие и звезды далекие);

отождествляют радиоисточники и оптические объекты с соблюдением их спектральных характеристик, свойственных данному типу объектов;

соблюдают принцип конфигурационного совпадения не менее трех объектов на площадке, размер которой определяется лепестками диаграммы интерферометра;

соблюдают принцип яркостного соответствия объектов радио-оптика, характерного для данного морфологического типа объектов;

учитывают наличие радиорефракции в (МЗС, МГС) [Lipovka A.A., Lipovka N.M. The end of the "Empty Field" epoch in optical identifications. "Molecules in Space and Laboratory", the meeting held in Paris, France, May 14-18, 2007. Editors: J.L.Lemaire, F.Combes. Publisher: S.Diana, p.26.].

В изложенном выше способе (ЛКЛ, англ. LKL) привязки радионеба к оптическому заключается совокупность и последовательность признаков, обеспечивающие получение правильного технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны к объектам интеллектуальной собственности.

Предлагаемый нами способ привязки радионеба к оптическому лишен недостатков ICRF2 системы опорных объектов и показал очень хорошие результаты. Количество радиоисточников, отождествленных с оптическими объектами, увеличилось в несколько десятков раз.

Заявителями не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях привязки радионеба к оптическому, как по отдельным признакам, так и по совокупности признаков, которые совпадают с совокупностью признаков, заявленных в нашем изобретении. Это позволяет сделать вывод о соответствии настоящего изобретения условию «новизна».

Сведения, подтверждающие реальную возможность осуществления изобретения

Примером использования предлагаемого способа (ЛКЛ) привязки радионеба к оптическому может служить отождествление, выполненное нами по области радиоизлучения, связанной со скоплением Галактик А1716.

Привязка радионеба, выполненная в обзоре [The NRAO VLA SKY SURVEY, J.J.Condon, W.D.Cotton, E.W.Greisen, Q.F.Yin, R.A.Perley, G.B.Taylor, J.J.Broderick. The Astronomical Journal, 115, 1693-1716, 1998, May] (NVSS) по немногочисленному списку опорных (419 опорных объектов для северного неба), показала совпадение только одного радиоисточника с оптическим объектом на площадке размером в один квадратный градус. Более того, в ближайшей окрестности Галактики IC883 больше ни один радиоисточник не отождествился.

Привязка этой же площадки неба, выполненная по предлагаемому нами способу (ЛКЛ), показала совпадение 90% радиоисточников с оптическими объектами.

Более того, выполнив оптические отождествления согласно предлагаемому способу (ЛКЛ), нами было обнаружено, что звезды тоже радиоизлучают, но система их радиокоординат сдвинута относительно системы радиокоординат для объектов, связанных со скоплением галактик.

На фиг.1а показано оптическое изображение неба в окрестности Галактики IC883 (G) (http://cadcwww.dao.nrc.ca/cadcbin/getdss/, Паломарский атлас). На фиг.1б представлено радиоизображение этого же участка неба в соответствии с обзором NVSS [The NRAO VLA SKY SURVEY, J.J.Condon, W.D.Cotton, E.W.Greisen, Q.F.Yin, R.A.Perley, G.B.Taylor, J.J.Broderick. The Astronomical Journal, 115, 1693-1716, 1998 May, http://www.cv.nrao.edu/NVSS]. Привязка в этом обзоре была выполнена по 419 опорным радиоисточникам, плотность которых составила один опорный объект на 80 квадратных градусов.

Таким образом оказалось, что только одна площадка из 80 площадок имеет опорный объект, и на рассматриваемой площадке (фиг.1б) нет опорного объекта. При сравнении фиг.1а и фиг.1б видно, что два ярких радиоисточника «а» и «с» попадают в пустое поле в оптическом изображении при позиционном совмещении источника «G» на оптической карте (фиг.1а) и объекта (G?) на радиокарте (фиг.1б) согласно привязке по измерениям NVSS.

Мы усомнились в предложенном в обзоре NVSS соответствии радио и оптического объектов, поскольку, как оказалось, еще и радиоспектр объекта (G?), совмещенного с Галактикой IC883, не соответствовал спектру активной Галактики, которой является Галактика IC883.

Если предложенное в NVSS отождествление IC883 с указанным радиоисточником (фиг.1б) подвергнуть сомнению и попытаться переотождествить эту область, используя предложенный нами способ (ЛКЛ), то окажется, что в ближайшей окрестности Галактики IC883 находится радиоисточник (G, фиг.2б) со спектром, типичным для радиогалактик.

Обнаруженный радиоисточник (фиг.2б) в оптическом изображении неба попадает в пустое поле согласно экваториальным координатам, приведенным в NVSS обзоре, т.е. не имеет оптического объекта, с которым он мог бы быть отождествлен. Более того, и в ближайшей окрестности этого радиоисточника больше ничего не отождествилось с оптическими объектами.

Однако при совмещении IC883 (G, фиг.2а) с радиообъектом (G, фиг.2б) у нас с хорошей точностью отождествилось еще 8 объектов на площадке размером 15′×15′. Точность отождествления составила ΔRA=-0.12^s±0.5^s и ΔDEC=-4″±10″

Истинные экваториальные координаты радиоисточника, отождествленного нами с Галактикой IC883, оказались смещенными по прямому восхождению на величину ΔRA=-01^m32^s и по склонению ΔDEC=+15′28″ (объект G). Следует отметить, что на этой же площадке нами была обнаружена и радиорефракция в межзвездной среде, которая в зависимости от удаленности исследуемой области от наблюдателя и параметров межзвездной среды смещает координаты радиообъектов на небе [Lipovka A.A., Lipovka N.M. The end of the "Empty Field" epoch in optical identifications. // "Molecules in Space and Laboratory", the meeting held in Paris, France, May 14-18, (2007). Editors: J.L.Lemaire, F.Combes. Publisher: S.Diana., p.26].

На фиг.2б буквами L, M, N и K помечены четыре ярких радиоисточника, которые при совмещении IC883 и радиоисточника (G) попадают в пустое поле. Однако все они отождествляются с оптическими объектами (которых в этой области очень мало), если учесть радиорефракцию в космическом пространстве, сместив их (L, М, N и K) на 3 сек по прямому восхождению в сторону увеличения прямого восхождения.

Более того, на площадке размером в один квадратный градус в окрестности IC883 нам удалось отождествить с хорошей точностью 9 слабых радиоисточников со звездами 10^m-17^m (смотри таблицу 3). Оказалось, что из-за радиорефракции в космическом пространстве система координат радиозвезд на небе сдвинута относительно системы координат оптических звезд по прямому восхождению на величину ΔRA=-01^m09^s и по склонению ΔDEC=+15′37″. На фиг.2b обозначены два таких объекта, как ST (звезда).

Нами были выполнены дальнейшие оптические отождествления в окрестности IC883 на площадке размером в один квадратный градус по способу (ЛКЛ) и вычислены координаты объектов в оптическом диапазоне АРМ [Irvin М., 1998 (http://www.ast.cam.ac.uk/~mike/apmcat/)] и в радиодиапазоне [The NRAO VLA SKY SURVEY, J.J.Condon, W.D.Cotton, E.W.Greisen, Q.F.Yin, R.A.Perley, G.B.Taylor, J.J.Broderick, The Astronomical Journal, 115, 1693-1716, 1998, May, NVSS (http://www.cv.nrao.edu/NVSS/)], которые приведены в таблицах 1-3.

Были рассмотрены две площадки: одна в оптическом диапазоне в окрестности IC883 (оптическое поле) и вторая в радиодиапазоне в окрестности сравнительно яркого радиоисточника с нетепловым спектром (α=-1.0, объект N14, таблица 1) с координатами на эпоху 2000.0 по прямому восхождению RA(J)=13^h19^m03.1^s и по склонению DEC(J)=+34°23′52.2″.

Как уже упоминалось выше, при предложенном по данным NVSS совмещении радиоисточника, имеющего радиокоординаты RA(J)=13^h20^m35.38^s и DEC(J)=+34°08′22.5″, с Галактикой IC883 в ближайшей окрестности галактики больше не совпало ни одного радиоисточника с оптическим объектом. Аналогичная картина наблюдается при оптических отождествлениях в окрестности яркого радиоисточника при предложенном отождествлении по данным NVSS (объект N14). В этой области яркий радиоисточник (объект N14) попал в пустое поле (Empty Field), и в ближайшей окрестности размером в один квадратный градус не отождествился ни один радиоисточник с оптическим объектом.

Обследование этих двух площадок показало, что между ними имеется хорошее сходство по конфигурационному расположению объектов и яркостному соответствию как в оптике, так и в радио. В соответствии с этим мы предположили, что истинное радиоизображение сдвинуто относительно оптического по прямому восхождению на величину ΔRA=01^m32^s и по склонению на величину ΔDEC=-15′32″. После учета вышеуказанной поправки (привязка радионеба к оптическому) совмещение яркого радиоисточника (объект N14) с Галактикой IC883 показало прекрасное совпадение большого количества радиообъектов с оптическими.

В таблице 1 приводятся исходные (по данным NVSS) и приведенные за нашу поправку радиокординаты, полученные в результате привязки яркого радиоисточника с координатами RA(J)=13^h19^m03.1^s и DEC(j)=+34°23′52.0″ к Галактике IC883.

Координаты радиоисточников (столбцы 2, 3), представленные в таблице 1, были получены из файлов в Fits формате по данным NVSS.

В столбце 4 приводится измеренная плотность потока по данным NVSS. Для объектов, плотность радиопотока у которых меньше 2,5 мЯн, стоит прочерк, поскольку эти объекты не числятся в каталоге NVSS.

В столбцах 5, 6 приводятся исправленные за поправку ΔRA=01^m32^s и ΔDEC=-15′32″ координаты радиоисточников (поправка добавлена к столбцам 2, 3 таблицы 1).

Для координат радиоисточников (столбцы 5, 6, таблица 1), полученных после привязки радионеба к Галактике IC883, были выполнены оптические отождествления.

В таблице 2 представлены оптические отождествления по данным АРМ (Irvin M., 1998, http://www.ast.cam.ac.uk/~mike/apmcat) для тех объектов из таблицы 1, для которых координаты оказались близкими к оптическим:

столбец 1 - порядковый номер по таблице 1;

столбец 2 - прямое восхождение оптического объекта по данным АРМ;

столбец 3 - склонение оптического объекта по данным АРМ;

столбцы 4, 6 - звездная величина в голубых и красных лучах по данным АРМ;

столбцы 5, 7 - размер в пикселях и эллиптичность оптического объекта по данным АРМ;

При совмещении радиокоординат яркого радиоисточника (объект N14, таблица 1, столбцы 5, 6) и Галактики IC883 (RA(J)=13^h20^m35.38^s, DEC(J)=+34°08′22.5″ (объект N14, таблица 2, столбцы 2, 3) с оптическими объектами отождествилось 17 радиоисточников. Точность оптического отождествления составила по прямому восхождению Δ=-0.12^s±0.5^s и по склонению Δ=-4.4″±11.5″.

При этом следует подчеркнуть, что в таблицу 1 вошли несколько слабых радиоисточников, проектирующихся на скопление Галактик А1716, которые не имеют оптической пары при предложенном выше смещении координат радионеба на величину ΔRA=+01^m32^s и ΔDEC=-15′32″. Нами было обнаружено, что эти радиоисточники имеют свою систему координат и сдвинуты относительно их оптического изображения на величину ΔRA=+01^m09^s и ΔDEC=-15′28″.

В таблице 3 представлены исправленные координаты радиокаталога (таблица 1, столбцы 2, 3) с учетом поправок к прямому восхождению (ΔRA=+01^m09^s) и склонению (ΔDEC=-15′28″):

столбец 1 - порядковый номер по таблице 1;

столбец 2 - прямое восхождение радиоисточника с учетом поправки для звездной составляющей (ΔRA=+01^m09^s);

столбец 3 - склонение радиоисточника с учетом вышеуказанной поправки для звездной составляющей (ΔDEC=-15′28″);

столбец 4 - прямое восхождение оптического объекта (АРМ);

столбец 5 - склонение оптического объекта (АРМ);

столбцы 6, 8 - звездная величина по оптическим отождествлениям (АРМ);

столбцы 7, 9 размер в пикселях и эллиптичность оптического объекта (АРМ).

В результате выполненного оптического отождествления (таблица 3) оказалось, что 9 слабых радиоисточников совпали со звездами 10^m-19^m. Погрешность отождествления составила по прямому восхождению Δ=0.02^s±0.64^s и по склонению Δ=5″±10.″.

Мы предположили, что наблюдаемый эффект (смещение системы координат радиозвезд относительно системы координат радиообъектов, связанных со скоплением Галактик А1716), может быть обусловлен радиорефракцией в межзвездной среде.

Всего в нашей выборке из 29 объектов, расположенных на площадке в один квадратный градус, отождествилось 26 радиоисточников (90%), в то время как в случае предложенной в работе NVSS привязки радионеба к оптическому по координатному совмещению радионеба с оптическим отождествился только один радиоисточник на площадке в два квадратных градуса.

На основании вышеизложенного, по мнению заявителей, можно сделать вывод о соответствии заявленного технического решения «Способ привязки координат небесных радиоисточников к оптической астрометрической системе координат Липовка-Костко-Липовка (ЛКЛ, англ. LKL) условию «изобретательский уровень».

Изобретение относится к сфере научных и технических проблем, изучаемых в радиоастрономии, астрофизике, астрометрии, геодезии и навигации, для привязки радионеба к оптическому небу для создания фундаментального каталога опорных радиоисточников высокой плотности, имеющих оптические отождествления, для целей космической навигации, для исследования природы небесных объектов в широком диапазоне длин волн, для изучения радиорефракции в космическом пространстве и уточнения ранее полученных сведений о космических объектах в радиодиапазоне для исследования характеристик Межзвездной и Межгалактической сред (МЗС, МГС). Техническим результатом изобретения является повышение достоверности и точности привязки радиоисточников к оптическим объектам. В результате применения способа количество радиоисточников, отождествленных с оптическими объектами, увеличилось в несколько десятков раз. Решена техническая задача измерения и регистрации координат отождествленных небесных объектов с учетом обнаруженной радиорефракции, физических характеристик МЗС, МГС с большой степенью достоверности и точности по сравнению с ранее используемыми способами. 2 ил., 3 табл.

Способ привязки координат небесных радиоисточников к оптической астрометрической системе координат путем использования опорных объектов, отличающийся тем, что для решения задачи достоверности привязки координат радиоисточника к оптическому объекту используют следующую последовательность операций:
привязку радионеба производят непосредственно к оптическому небу;
оптические отождествления выполняют на площадке, размер которой не превышает размера, определяемого лепестками интерферометра;
идентифицируют морфологическую принадлежность радиоисточников (галактики, квазары, туманности, звезды близкие и звезды далекие);
отождествляют радиоисточники и оптические объекты с соблюдением их спектральных характеристик, свойственных данному морфологическому типу объектов;
соблюдают принцип конфигурационного совпадения для не менее чем трех объектов на площадке, размер которой определяется лепестками диаграммы интерферометра;
соблюдают принцип яркостного соответствия объектов радио-оптика,
характерного для данного морфологического типа объекта;
учитывают наличие радиорефракции в Межзвездной и Межгалактической средах.