КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 20-72-00137

НазваниеОнлайн база данных водяных мазеров в областях звездообразования

РуководительЛадейщиков Дмитрий Антонович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина", Свердловская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2020 - 06.2022

Конкурс№49 - Конкурс 2020 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-704 - Физика и эволюция звезд и межзвездной среды

Ключевые словаВодяные мазеры, база данных, добыча данных, машинное обучение, межзвездная среда, звездообразование, поисковый обзор, молекулярные сгустки

Код ГРНТИ41.25.29

СтатусУспешно завершен

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект посвящен созданию единой актуализируемой базы данных водяных мазерных источников в областях звездообразования и ее научному анализу. В настоящее время нет единого центра хранения специфических данных о мазерном излучении молекулы воды в областях звездообразования, а общая база данных Страсбургского центра астрономических данных (VizieR) не позволяет эффективно проводить их исследования из-за разнородности представленных данных. Данные наблюдений водяных мазеров публикуются в научных статьях, часто в электронной форме в виде текстовых таблиц, но для исследователей нет возможности оперативно найти и получить эти данные в связи со сложностью поиска и доступа к данным. Это усложняет изучение водяных мазеров в областях звездообразования, особенно на этапе планирования наблюдений, так как необходимо иметь сведения о всех предыдущих наблюдениях исследуемых объектов. В рамках Проекта ожидается полный сбор данных о мазерном излучении воды в областях звездообразования. В базу данных в едином формате будут внесены из доступной литературы все данные как с одиночных антенн, так и с интерферометров. Сведение данных в единое хранилище впервые позволит исследовать статистические характеристики водяных мазеров в областях звездообразования с наибольшей выборкой данных наблюдений, что важно в том числе для оценки критериев для поиска новых водяных мазерных источников. Планируется размещение базы данных водяных мазеров в режиме онлайн по адресу http://maserdb.net, где в настоящее время уже работает база данных метанольных мазеров. Возможности информационной системы MaserDB позволяют не только выводить данные о мазерном излучении, но и производить их анализ в режиме онлайн в широком диапазоне длин волн. Создание единой базы данных наблюдений водяных мазерных источников, которая будет включать данные в том числе по разным переходам мазерного излучения воды, позволит увеличить эффективность исследования областей звездообразования. База данных позволит координировать работу различных научных групп по мониторингу мазерной активности, планировать новые наблюдения и исследовать статистические характеристики водяных мазерных источников в областях звездообразования по всем имеющимся наблюдениям. Актуальность базы данных связана также со значительным развитием наблюдательных инструментов, как наземных (интерферометры VLBA, EVN, ATCA, VLA, KVN, SMA, ALMA, NOEMA, однозеркальные телескопы GBT, Tianma, NRO, Mopra и др.), так и космических (обзоры неба WISE, GAIA, планируемые международные проекты Миллиметрон (с ведущим российским участием), космический телескоп имени Джеймса Уэбба и др.), и соответствующим возрастающим объемом данных наблюдений. В настоящее время существует несколько международных организаций и проектов, в рамках которых исследуются водяные мазеры: Maser Monitoring Organisation (M2O), Methanol MultiBeam (MMB), Protostellar Outflows at the EarliesT Stages (POETS), Survey of Water and Ammonia in the Galactic Center (SWAG), APEX Telescope Large Area Survey of the Galaxy (ATLASGAL), BeSSeL (The Bar And Spiral Structure Legacy survey). Создание единой базы данных наблюдений водяных мазеров позволит координировать данные различных проектов и использовать их для совместного анализа мазерного излучения молекулы воды в Галактике и за ее пределами. Унифицированный формат данных и возможность поиска наблюдений по координатам, источникам и по списку объектов расширит потенциал для использования наблюдательных данных прошлых лет благодаря возможности сравнения характеристик мазеров в разные периоды наблюдений, что важно для исследования переменности мазерных источников и позволяет упростить планирование новых наблюдений. В проекте предполагается создание основы для проведения нового обзора водяных мазеров на 22 ГГц на инструментах мирового уровня, таких как АТСА (Австралия), KVN (Корея), или NRO (Япония), который будет проведен в случае выигрыша конкурса на получение наблюдательного времени. Актуальность проведения данного обзора связана с тем, что текущие обзоры водяных мазеров не охватывают все вероятные источники мазерного излучения воды, которые могут быть обнаружены в направлении на источники излучения в континууме на 870 мкм в рамках обзора ATLASGAL. Новый обзор водяных мазеров позволит дополнить существующие обзоры водяных мазеров, а также более детально исследовать связь между водяными мазерами и источниками излучения в субмиллиметровом диапазоне длин волн, которые будут отобраны в том числе по результатам статистического анализа большого числа ранее зарегистрированных водяных мазеров из базы данных. Одним из важных вопросов звездообразования является изучение эволюционного статуса звездообразующих сгустков. Есть указания, что в звездообразующих сгустках на различных этапах их эволюции появляются мазеры различного типа, которые имеют различную продолжительность существования. Точность оценки времени жизни мазеров и их расположения на эволюционной диаграмме во многом зависят от объема выборки данных, а также от точности оценки расстояния до источников. Единая база данных водяных мазеров, включающая в себя все новейшие и архивные наблюдения, совместно с уже разработанной базой данных метанольных мазеров будет использована в рамках Проекта для исследования стадий эволюции звездообразующих сгустков в том числе с применением методов машинного обучения. Результаты оценки стадий эволюции звездообразующих сгустков могут быть использованы в дальнейшем для проверки моделей звездообразования.

Ожидаемые результаты
Соответствие предполагаемых результатов мировому уровню исследований подтверждается наличием публикации руководителя Проекта в высокорейтинговом журнале Astronomical Journal, посвященной аналогичному проекту создания базы данных метанольных мазерных источников [1]. Новое исследование предполагает публикации в журналах подобного уровня с импакт-фактором не менее 5 (AJ, ApJ, MNRAS). Работы по астрофизике мазеров, включая водяные, были внесены в список важнейших достижений российской астрономии 2019 года [2]. Ссылки: 1. Ladeyschikov D.A., Bayandina O.S., Sobolev A.M. Online Database of Class I Methanol Masers // AJ. – 2019. – Vol. 158. – Iss. 6. – id. 233. – 13 pp. 2. http://astrosovet.ru/d2019.html Ожидаются следующие результаты Проекта: 1) Наиболее полная и актуальная база данных наблюдений водяных мазерных источников в областях звездообразования, содержащая все опубликованные и частично неопубликованные данные наблюдений во всех зарегистрированных мазерных переходах молекулы воды. Научная значимость базы данных заключается в возможности статистического исследования всей совокупности накопленных данных, а также возможности получения исчерпывающей информации о доступных наблюдениях водяных мазеров в отдельных астрофизических объектах, что важно при планировании новых наблюдений. Результаты создания базы данных водяных мазеров будут опубликованы в специальном интерактивном веб-интерфейсе (http://maserdb.net), позволяющим не только получить информацию о всех наблюдениях, но и произвести анализ данных в режиме онлайн. Данный результат является наиболее важным с точки зрения практического его использования другими исследователями при планировании наблюдений и исследовании отдельных астрофизических объектов. В настоящее время данный сервис уже используется участниками международной коллаборации M2O (https://www.masermonitoring.com) по мониторингу мазерных источников для поиска информации о метанольных мазерах. 2) Исследование статистических характеристик водяных мазерных источников в областях звездообразования. Значимость данного результата заключается в возможности исследования связи наличия и характеристик мазеров с другими параметрами астрофизических объектов, в том числе -- плотностями потока в инфракрасном и субмиллиметровом диапазонах длин волн. С помощью данного исследования будут выбраны наилучшие критерии для поиска новых источников мазерного излучения молекулы воды. Данный результат важен в том числе для проведения нового обзора водяных мазеров. Результат будет выполнен на мировом уровне исследований. Подобная работа была ранее проделана для метанольных мазеров и опубликована в работе [1]. 3) Создание основ и проведение (в случае выигрыша конкурса на выделение достаточного количества наблюдательного времени) поискового обзора водяных мазерных источников. Значимость результата заключается в расширении существующих обзоров и возможности открытия новых источников мазерного излучения на переходах молекулы воды, указывающих на активные процессы звездообразования. Значимость данного результата подтверждается наличием таких международных проектов, как M2O (https://www.masermonitoring.com), HOPS (https://research.science.mq.edu.au/hops), MMB (The Methanol Multibeam Survey), POETS (Protostellar Outflows at the EarliesT Stages), ATLASGAL (http://www3.mpifr-bonn.mpg.de/div/atlasgal/), SWAG (Survey of Water and Ammonia in the Galactic Center), BeSSeL (http://bessel.vlbi-astrometry.org), в рамках которых исследуются водяные мазеры. 4) Исследование эволюционного статуса звездообразующих сгустков на основании их мазерного излучения с применением методов машинного обучения. Значимость результата заключается в возможности получения независимой оценки времени эволюции звездообразующих сгустков, которые затем могут быть использованы в теоретических моделях звездообразования. Данный результат будет важен для международного проекта ATLASGAL (APEX Telescope Large Area Survey of the Galaxy), в рамках которого исследуется в том числе эволюционный статус звездообразующих сгустков по данным мазерного излучения.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Ссылка на ресурс: http://maserdb.net Впервые создана онлайн база данных водяных мазеров в областях звёздообразования Галактики, которая покрывает 92% всех доступных наблюдений в научной литературе. В базу данных введена подробная информация о наблюдениях, в том числе табличные данные, изображения спектров и текстовые описания источников. Информационная система, которая используется для хранения и ввода данных, позволяет эффективно производить поиск и анализ данных в режиме онлайн. Данный инструмент будет полезен для всех исследователей процессов звёздообразования в Галактике, так как он позволяет, с одной стороны, получить подробную информацию о каждой области звёздообразования, с другой стороны – исследовать статистические характеристики водяных мазеров в Галактике. Возможности информационной системы позволяют исследовать водяные мазеры совместно с мазерами иных молекул (метанола, гидроксила и др.), а также с источниками из популярных инфракрасных и миллиметровых обзоров Галактики. С помощью разработанной базы данных был впервые произведён анализ пространственного и кинематического распределения водяных мазеров в Галактике для наиболее крупной выборки, ранее недоступной из-за разнородности форматов данных. Исследована связь между водяными мазерами и источниками излучения ATLASGAL в миллиметровом континууме на 870 мкм. Найдена степенная зависимость между плотностью потока водяных мазеров на 22 ГГц и плотностью потока на 870 мкм. Проведён обзор 140 источников излучения в миллиметровом континууме (0.87-1.1 мм) в линии 22 ГГц на РТ-22 (г. Пущино), подготовлены заявки на более чувствительные инструменты (ATCA, Австралия; Effelsberg 100-м, Германия). Результаты создания базы данных водяных мазеров неоднократно докладывались на российских и международных конференциях. База данных успешно используется участниками международной коллаборации по мазерному мониторингу M2O (Maser Monitoring Organizaiton; https://www.masermonitoring.com). База данных вовлечена в нескольких международных наблюдательных проектов в рамках коллаборации M2O, по которым уже выделено наблюдательное время на следующих инструментах: космический телескоп им. Джеймса Уэбба, интерферометр VLA, наземный телескоп Джеймса Кларка Максвелла и другие.

Публикации

1. Ладейщиков Д.А. Онлайн база данных водяных мазеров в областях звёздообразования: первые результаты Труды конференции «Астрономия и исследование космического пространства» (издательство УрФУ, г. Екатеринбург), Том 47, с. 135-138 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.15826/B978-5-7996-3229-8.34

2. Ладейщиков Д.А. Relation between star formation traced by water masers and physical parameters of dust clumps in the submillimeter wavelength range Abstract book of the First Moscow International Conference "Submillimeter and Millimeter Astronomy: Objectives and Instruments", Том 1, с. 47 (год публикации - 2021)

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Результаты сбора данных по водяным мазерам в областях звёздообразования опубликованы на веб-сайте Проекта: http://maserdb.net. В отчётном периоде в базу данных было добавлено 182 статьи по наблюдениям водяных мазеров в областях звёздообразования. Включённые работы в первую очередь представляют собой интерферометрические, поляризационные и/или мониторинговые наблюдения отдельных известных областей звёздообразования. Суммарным итогом было добавлено 265 статей. Сбор данных завершён до уровня 99.2% от общего числа наблюдений водяных мазеров в областях звёздообразования в литературе с 1989 года. С помощью базы данных и обобщённой линейной модели найдено выражение, позволяющая рассчитать вероятность обнаружения водяного мазера на 22 ГГц в направлении на любой источник из каталогов компактных источников ATLASGAL и Hi-GAL. Точность предсказания для модели достигает 73% для каталога Hi-GAL и 71% для каталога ATLASGAL. База данных и обобщённая линейная модель использована для проведения поискового обзора водяных мазеров на 22 ГГц с помощью 100-метрового телескопа в Эффельсберг (Германия). Исследовано 358 источников из каталога ATLASGAL. Мазеры в линии водяного пара на 22 ГГц были зарегистрирован в 124 источниках, из которых в 41 источнике – впервые. Частота регистраций водяных мазеров оказалась в 1.3-1.4 раза ниже, чем ожидалась из обобщённой линейной модели, что может быть связано с переменностью мазеров. Так, для 22 источников найдены существенные изменения плотностей потока мазеров по сравнению с архивными данными – изменения достигали нескольких десятков раз. С помощью базы данных удалось составить наиболее крупную выборку мазеров, связанных с компактными источниками излучения в инфракрасном и субмиллиметровом континууме из каталогов ATLASGAL и Hi-GAL. Анализ отношения светимости к массе, которая является индикатором эволюционного состояния сгустков, показал, что водяные мазеры имеют меньшие значения отношения светимости к массе по сравнению с метанольными мазерами II класса на 6 и 12 ГГц, а так же гидроксильными мазерами. С другой стороны, не найдено существенных отличий в отношении светимости к массе для метанольных мазеров I класса на 95 ГГц и водяных мазеров на 22 ГГц. Значит, водяные мазеры на 22 ГГц наряду с метанольными мазерами I класса на 95 ГГц, являются трассерами наиболее ранних стадий звёздообразования в молекулярных сгустках.

Публикации

1. Д. А. Ладейщиков, А. М. Соболев, О. С. Баяндина, Н. Н. Шахворостова Online Database of Multiwavelength Water Masers in Galactic Star-forming Regions The Astronomical Journal, Vol. 163, Iss. 3, p. 124 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3847/1538-3881/ac480f

2. Д. А. Ладейщиков, А. П. Цивилев, А. М. Соболев, Е. А. Попова Поиск ярких мазеров в линии водяного пара в направлении на пылевые сгустки Галактики Астрономический журнал, T. 99, № 4, стр. 277-296 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.31857/S0004629922040041

3. Д. А. Ладейщиков, Я. Гонг, А. М. Соболев, К. М. Ментен, Дж. С. Уркварт, С. Л. Брин, Н. Н. Шахворостова, О. С. Баяндина, А. П. Цивилёв Water masers as an early tracer of star formation The Astrophysical Journal Supplement Series, - (год публикации - 2022)

4. - Астрономы создали базу данных об источниках излучения в отдаленных участках космоса Сетевое издание "Naked Science", - (год публикации - )

5. - Ученые создали полную базу данных об источниках излучения в отдаленных участках космоса ООО «Селдон Новости», - (год публикации - )

6. - Ученые создали полную базу данных об источниках излучения в отдаленных участках космоса Пресс-служба УрФУ, - (год публикации - )

7. - Астрономы создали базу данных об источниках излучения в отдаленных участках космоса Электронное периодическое издание «Научная Россия», - (год публикации - )

8. - Астрономы создали базу данных об источниках излучения в отдаленных участках космоса Пресс-служба РНФ, - (год публикации - )

Возможность практического использования результатов
База данных мазерных источников активно используется исследователями областей звёздообразования для поиска и анализа данных, в частности – в российских научных учреждениях (УрФУ, ИНАСАН, ИКИ РАН и других), а также в международном сообществе (к примеру, в рамках организации M2O – Maser Monitoring Organization; https://www.masermonitoring.com). В 2020 году бюро Научного совета по астрономии РАН включило проект создания базы данных о мазерных источниках в список важнейших достижений астрономических исследований Российской Федерации (http://astrosovet.ru/d2020.html). База данных не имеет аналогов в своей области, что делает её разработку важной для дальнейшего достижения цифрового суверенитета РФ и развития информационных технологий, связанных с фундаментальными знаниями о природе. Наработки и методы анализа, полученные в ходе разработки базы данных мазеров, могут быть использованы как научный задел в других областях знаний. В частности, обобщённая линейная модель позволяет предсказывать вероятность реализации различных процессов или явлений при наличии достаточного набора накопленных данных. Важным фактором является простота и малая вычислительная сложность модели, которая позволяет получить точность предсказания в случае бинарной классификации не хуже, чем при использовании нейронных сетей.