Sloan Digital Sky Survey или SDSS — это крупное многоспектральное исследование изображений и спектроскопического красного смещения с использованием специального 2,5-метрового широкоугольного оптического телескопа в обсерватории Apache Point в Нью-Мексико, США. Проект начался в 2000 году и был назван в честь Фонда Альфреда П. Слоана , который внес значительный вклад.
Для проведения исследования красного смещения был создан консорциум Вашингтонского и Принстонского университетов . Астрофизический исследовательский консорциум (ARC) был создан в 1984 году [1] с дополнительным участием Университета штата Нью-Мексико и Университета штата Вашингтон для управления деятельностью в Apache Point. В 1991 году Фонд Слоуна предоставил ARC финансирование для проведения исследования и создания оборудования для выполнения работы. [2]
На момент своего создания SDSS представлял собой новаторское сочетание новейших приборов, а также методов обработки и хранения данных, что способствовало значительному прогрессу в астрономических наблюдениях, открытиях и теории.
Проект SDSS был сосредоточен вокруг двух инструментов и конвейеров обработки данных, которые были новаторскими по масштабу, в котором они были реализованы:
Главной новой проблемой было то, как справиться с исключительным объемом данных, генерируемых телескопом и инструментами. В то время сотни гигабайт необработанных данных за ночь были беспрецедентными, и для разработки программного обеспечения и системы хранения данных требовалась такая же сложная команда, как и исходная команда по оборудованию и инженерии. Из каждого запуска изображений каталоги объектов, уменьшенные изображения и связанные файлы создавались в высокоавтоматизированном конвейере, что давало самые большие каталоги астрономических объектов (миллиарды объектов), доступные в цифровой форме для запроса на тот момент. Для каждого спектрального запуска тысячи двумерных спектральных изображений должны были быть обработаны для автоматического извлечения калиброванных спектров (поток в зависимости от длины волны).
Примерно за десятилетие, которое потребовалось для достижения этих целей, SDSS внес заметный вклад в технологии хранения и доступа к массивным базам данных, таким как SQL, и был одним из первых крупных астрономических проектов, сделавших данные доступными в этой форме. Модель предоставления научному сообществу и общественности широкого и доступного через Интернет доступа к продуктам данных обследования также была относительно новой в то время.
Модель сотрудничества вокруг проекта также была сложной, но успешной, учитывая большое количество учреждений и лиц, которые должны были привнести экспертные знания в систему. Университеты и фонды были участниками вместе с управляющим партнером ARC. Другие участники включали Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), которая поставляла возможности компьютерной обработки и хранения, и коллег из компьютерной отрасли
Сбор данных начался в 2000 году; [3] окончательный выпуск данных изображений (DR9) охватывает более 35% неба, с фотометрическими наблюдениями около 1 миллиарда объектов, в то время как обзор продолжает получать спектры , на данный момент получены спектры более 4 миллионов объектов. Основная выборка галактик имеет медианное красное смещение z = 0,1; существуют красные смещения для ярких красных галактик до z = 0,7 и для квазаров до z = 5; и обзор изображений был вовлечен в обнаружение квазаров за пределами красного смещения z = 6.
Выпуск данных 8 (DR8), выпущенный в январе 2011 года, [4] включает все фотометрические наблюдения, полученные с помощью камеры SDSS, охватывающей 14 555 квадратных градусов на небе (чуть более 35% всего неба). Выпуск данных 9 (DR9), выпущенный для публики 31 июля 2012 года, [5] включает первые результаты спектроскопического исследования барионных колебаний (BOSS), включая более 800 000 новых спектров. Более 500 000 новых спектров относятся к объектам во Вселенной 7 миллиардов лет назад (примерно половина возраста Вселенной). [6] Выпуск данных 10 (DR10), выпущенный для публики 31 июля 2013 года, [7] включает все данные из предыдущих выпусков, а также первые результаты эксперимента по галактической эволюции APO (APOGEE), включая более 57 000 инфракрасных спектров высокого разрешения звезд Млечного Пути. DR10 также включает более 670 000 новых спектров BOSS галактик и квазаров в далекой Вселенной. Общедоступные изображения из обзора были сделаны между 1998 и 2009 годами.
В июле 2020 года, после 20-летнего исследования, астрофизики Sloan Digital Sky Survey опубликовали самую большую и подробную на сегодняшний день трехмерную карту Вселенной, заполнили пробел в 11 миллиардов лет в истории ее расширения и предоставили данные, которые подтверждают теорию плоской геометрии Вселенной и подтверждают, что разные регионы, по-видимому, расширяются с разной скоростью. [8] [9]
SDSS использует специальный широкоугольный оптический телескоп диаметром 2,5 м; с 1998 по 2009 год он вел наблюдения как в режиме визуализации, так и в спектроскопическом режиме. Камера визуализации была снята с производства в конце 2009 года, с тех пор телескоп ведет наблюдения исключительно в спектроскопическом режиме.
Изображения были получены с использованием фотометрической системы из пяти фильтров (названных u , g , r , i и z ). Эти изображения обрабатываются для создания списков наблюдаемых объектов и различных параметров, таких как кажутся ли они точечными или протяженными (как галактика) и как яркость на ПЗС соотносится с различными видами астрономической величины .
Для наблюдений за изображениями телескоп SDSS использовал технику сканирования дрейфа , но с хореографическим изменением прямого восхождения , склонения , скорости слежения и вращения изображения, что позволяет телескопу отслеживать по большим окружностям и непрерывно регистрировать небольшие полосы неба. [10] Изображение звезд в фокальной плоскости дрейфует вдоль чипа ПЗС, а заряд электронным образом смещается вдоль детекторов с той же скоростью, вместо того чтобы оставаться фиксированным, как в телескопах с отслеживанием. (Простая парковка телескопа по мере движения неба возможна только на небесном экваторе , поскольку звезды с разным склонением движутся с разной видимой скоростью). Этот метод обеспечивает согласованную астрометрию в максимально широком поле и сводит к минимуму накладные расходы на считывание данных детекторов. Недостатком являются незначительные эффекты искажения.
Камера формирования изображений телескопа состоит из 30 ПЗС-чипов, каждый с разрешением 2048 × 2048 пикселей , что в сумме составляет около 120 мегапикселей . [11] Чипы расположены в 5 рядов по 6 чипов. Каждый ряд имеет свой оптический фильтр со средними длинами волн 355,1 ( u ), 468,6 ( g ), 616,5 ( r ), 748,1 ( i ) и 893,1 ( z ) нм , с 95% полнотой при типичном наблюдении до величин 22,0, 22,2, 22,2, 21,3 и 20,5 для u , g , r , i , z соответственно. [12] Фильтры размещены на камере в порядке r , i , u , z , g . Для снижения шума камера охлаждается до 190 Кельвинов (около -80 °C) жидким азотом .
Примечание: цвета являются приблизительными и основаны на длине волны в представлении sRGB. [13]
Используя эти фотометрические данные, звезды, галактики и квазары также выбираются для спектроскопии . Спектрограф работает, подавая индивидуальное оптическое волокно для каждой цели через отверстие, просверленное в алюминиевой пластине. [14] Каждое отверстие позиционируется специально для выбранной цели, поэтому для каждого поля, в котором должны быть получены спектры, требуется уникальная пластина. Оригинальный спектрограф, прикрепленный к телескопу, был способен регистрировать 640 спектров одновременно, в то время как обновленный спектрограф для SDSS III может регистрировать 1000 спектров одновременно. В течение каждой ночи для регистрации спектров обычно используется от шести до девяти пластин. В спектроскопическом режиме телескоп отслеживает небо стандартным образом, удерживая объекты в фокусе на соответствующих кончиках волокон.
Каждую ночь телескоп выдает около 200 ГБ данных.
В течение первой фазы операций, 2000–2005 гг., SDSS сделал снимки более 8000 квадратных градусов неба в пяти оптических полосах пропускания и получил спектры галактик и квазаров, выбранных из 5700 квадратных градусов этого снимка. Он также получил повторные снимки (примерно 30 сканирований) полосы в 300 квадратных градусов в южной галактической шапке.
В 2005 году обзор вступил в новую фазу — SDSS-II , расширив наблюдения для изучения структуры и звездного состава Млечного Пути , SEGUE и Sloan Supernova Survey, который отслеживает события сверхновых Ia для измерения расстояний до далеких объектов.
Sloan Legacy Survey охватывает более 7500 квадратных градусов Северной галактической шапки с данными почти 2 миллионов объектов и спектрами более 800 000 галактик и 100 000 квазаров. Информация о положении и расстоянии до объектов позволила впервые исследовать крупномасштабную структуру Вселенной с ее пустотами и нитями. Почти все эти данные были получены в SDSS-I, но небольшая часть следа была завершена в SDSS-II. [16]
Расширение Слоуна для изучения и исследования галактик получило спектры 240 000 звезд (с типичной радиальной скоростью 10 км/с) для создания подробной трехмерной карты Млечного Пути. [17] Данные SEGUE предоставляют доказательства возраста, состава и распределения звезд в фазовом пространстве в различных компонентах Галактики, предоставляя важные подсказки для понимания структуры, формирования и эволюции нашей галактики .
Звездные спектры, данные изображений и каталоги полученных параметров для этого обзора доступны для общественности как часть SDSS Data Release 7 (DR7). [18]
Обзор сверхновых SDSS, который проводился с 2005 по 2008 год, выполнил повторную съемку одной полосы неба шириной 2,5° с центром на небесном экваторе, пройдя от 20 часов прямого восхождения до 4 часов прямого восхождения, так что она находилась в южной галактической шапке (см. Проект: Галактическая шапка) и не пострадала от галактического вымирания . [19] Проект обнаружил более 500 сверхновых типа Ia. Продолжавшийся до конца 2007 года обзор сверхновых искал сверхновые типа Ia . Обзор быстро просканировал область в 300 квадратных градусов для обнаружения переменных объектов и сверхновых. Он обнаружил 130 подтвержденных событий сверхновых Ia в 2005 году и еще 197 в 2006 году. [20] В 2014 году был выпущен еще больший каталог, содержащий 10 258 переменных и транзитных источников. Из них 4607 источников являются либо подтвержденными, либо вероятными сверхновыми, что делает этот набор сверхновых самым большим из собранных на сегодняшний день. [21]
В середине 2008 года стартовал SDSS-III. Он включал четыре отдельных обследования: [22]
Эксперимент по эволюции галактики APO (APOGEE) использовал инфракрасную спектроскопию с высоким разрешением и высоким отношением сигнал/шум, чтобы проникнуть сквозь пыль , которая затеняет внутреннюю часть Галактики. [23] APOGEE обследовал 100 000 красных гигантских звезд во всем диапазоне галактического балджа , бара, 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 (100∶1), более чем в 100 раз. [24] Спектры с высоким разрешением выявили содержание около 15 элементов, что дало информацию о составе газовых облаков, из которых образовались красные гиганты. APOGEE планировал собирать данные с 2011 по 2014 год, а первые данные были опубликованы в рамках SDSS DR10 в конце 2013 года. [25]
Спектроскопическое исследование барионных колебаний (BOSS) SDSS-III было разработано для измерения скорости расширения Вселенной . [ 26] Оно картировало пространственное распределение светящихся красных галактик (LRG) и квазаров, чтобы определить их пространственное распределение и обнаружить характерный масштаб, отпечатанный барионными акустическими колебаниями в ранней Вселенной. Звуковые волны, которые распространяются в ранней Вселенной, как распространяющаяся рябь в пруду, отпечатывают характерный масштаб на положениях галактик относительно друг друга. Было объявлено, что BOSS измерил масштаб Вселенной с точностью до одного процента и был завершен весной 2014 года. [27]
Многообъектный APO Radial Velocity Exoplanet Large-area Survey (MARVELS) отслеживал лучевые скорости 11 000 ярких звезд с точностью и частотой, необходимыми для обнаружения газовых гигантских планет с орбитальными периодами от нескольких часов до двух лет. Этот наземный доплеровский обзор [28] использовал телескоп SDSS и новые многообъектные доплеровские инструменты для отслеживания лучевых скоростей. [28]
Основной целью проекта было создание крупномасштабной, статистически четко определенной выборки гигантских планет . Он искал газообразные планеты с орбитальными периодами от часов до 2 лет и массами от 0,5 до 10 масс Юпитера . Всего было проанализировано 11 000 звезд с 25–35 наблюдениями на звезду в течение 18 месяцев. Ожидалось, что он обнаружит от 150 до 200 новых экзопланет и сможет изучать редкие системы, такие как планеты с экстремальным эксцентриситетом и объекты в « пустыне коричневых карликов ». [28] [29]
Собранные данные использовались в качестве статистической выборки для теоретического сравнения и открытия редких систем. [30] Проект стартовал осенью 2008 года и продолжался до весны 2014 года. [28] [31]
Оригинальное расширение Слоуна для понимания и исследования галактики (SEGUE-1) получило спектры почти 240 000 звезд различных спектральных типов. Основываясь на этом успехе, SEGUE-2 спектроскопически наблюдал около 120 000 звезд, сосредоточившись на звездном гало Млечного Пути на месте, с расстояний от 10 до 60 кпк. SEGUE-2 удвоил размер выборки SEGUE-1 . [32]
Объединение SEGUE-1 и 2 выявило сложную кинематическую и химическую субструктуру галактического гало и дисков, предоставив важные подсказки об истории сборки и обогащения галактики. В частности, ожидалось, что внешнее гало будет находиться под влиянием поздних событий аккреции. Данные SEGUE могут помочь ограничить существующие модели формирования звездного гало и предоставить информацию для следующего поколения высокоразрешающих симуляций формирования галактик. Кроме того, SEGUE-1 и SEGUE-2 могут помочь обнаружить редкие, химически примитивные звезды, которые являются окаменелостями самых ранних поколений космического звездообразования.
Четвертое поколение SDSS (SDSS-IV, 2014–2020) расширяет точные космологические измерения до критической ранней фазы космической истории (eBOSS), расширяя инфракрасный спектроскопический обзор Галактики в северном и южном полушариях (APOGEE-2) и впервые используя спектрографы Слоуна для создания пространственно разрешенных карт отдельных галактик (MaNGA). [34]
Звездный обзор Млечного Пути, состоящий из двух основных компонентов: северный обзор с использованием яркого времени в APO и южный обзор с использованием 2,5- метрового телескопа Дюпона в Лас-Кампанас.
Космологическое исследование квазаров и галактик, также включающее подпрограммы по исследованию переменных объектов (TDSS) и источников рентгеновского излучения (SPIDERS).
MaNGA (картографирование близлежащих галактик в обсерватории Apache Point ) исследовал подробную внутреннюю структуру почти 10 000 близлежащих галактик с 2014 по весну 2020 года. Более ранние обзоры SDSS позволяли наблюдать спектры только из центра галактик. Используя двумерные массивы оптических волокон, объединенных в шестиугольную форму, MaNGA смог использовать пространственно разрешенную спектроскопию для построения карт областей внутри галактик, что позволило провести более глубокий анализ их структуры, такой как лучевые скорости и области звездообразования . [35] [36]
Обсерватория Apache Point в Нью-Мексико начала собирать данные для SDSS-V в октябре 2020 года. Планируется, что к середине 2021 года Apache Point будет преобразована из пластин-заглушек (алюминиевых пластин с вручную размещенными отверстиями для прохождения звездного света) в небольшие автоматизированные роботизированные манипуляторы, а позднее в этом году за ней последует обсерватория Las Campanas в Чили. Исследование Milky Way Mapper будет направлено на спектры шести миллионов звезд. Исследование Black Hole Mapper будет направлено на галактики для косвенного анализа их сверхмассивных черных дыр . Local Volume Mapper будет направлено на близлежащие галактики для анализа их облаков межзвездного газа . [37] [38]
Обзор делает выпуски данных доступными через Интернет. SkyServer предоставляет ряд интерфейсов для базового Microsoft SQL Server . Таким образом, доступны как спектры, так и изображения, а интерфейсы сделаны очень простыми в использовании, так что, например, полноцветное изображение любой области неба, охваченной выпуском данных SDSS, можно получить, просто указав координаты. Данные доступны только для некоммерческого использования, без письменного разрешения. SkyServer также предоставляет ряд учебных пособий, предназначенных для всех, от школьников до профессиональных астрономов. Десятый основной выпуск данных, DR10, выпущенный в июле 2013 года, [7] предоставляет изображения, каталоги изображений, спектры и красные смещения через различные интерфейсы поиска.
Необработанные данные (до их обработки в базах данных объектов) также доступны через другой интернет-сервер и впервые были получены в ходе «облета» через программу NASA World Wind .
Sky в Google Earth включает данные из SDSS, для тех регионов, где такие данные доступны. Также есть плагины KML для слоев фотометрии и спектроскопии SDSS, [39] позволяющие прямой доступ к данным SkyServer из Google Sky.
Данные также доступны в планетарии Хейдена с 3D-визуализатором.
Также имеется постоянно растущий список данных для региона Stripe 82 SDSS.
После вклада технического сотрудника Джима Грея от имени Microsoft Research в проект SkyServer, WorldWide Telescope от Microsoft использует SDSS и другие источники данных. [40]
MilkyWay@home также использовал данные SDSS для создания высокоточной трехмерной модели галактики Млечный Путь.
Наряду с публикациями, описывающими сам обзор, данные SDSS использовались в публикациях по огромному спектру астрономических тем. На веб-сайте SDSS есть полный список этих публикаций, охватывающих далекие квазары на границах наблюдаемой Вселенной, [41] распределение галактик, свойства звезд в нашей галактике, а также такие темы, как темная материя и темная энергия во Вселенной.
На основе выпуска Data Release 9 8 августа 2012 года была опубликована новая трехмерная карта массивных галактик и далеких черных дыр. [42]
