ИСТИНА

Краеугольным камнем для современной астрофизики является задача корректной интерпретации наблюдений галактик на разных красных смещениях для построения согласованного сценария их эволюции. Предсказания численных моделей неплохо согласуются с наблюдениями, когда дело касается статистических свойств галактик (функции масс, истории звездообразования и т.п.). В то же время, при детальных исследованиях близких галактик обнаруживаются значительные нестыковки наблюдений и теории, некоторые из которых связаны с упрощениями, допускаемыми при моделировании, а значительная часть возникает из-за недопонимания физики процессов, происходящих в галактиках. Прогресса в понимании явлений, происходящих в галактиках, можно достичь путем прямого сравнения свойств объектов, находящихся на разных расстояниях - от близких и доступных для детального исследования до далеких, где возможно получить только общие характеристики, но которые при этом находятся на более ранних этапах эволюции. Очень важно при этом использовать одинаковые методы анализа данных, чтобы избежать систематических ошибок разного характера, которые можно принять за физические явления. В течение последних лет был накоплен колоссальный материал, включающий в себя результаты крупных спектральных и фотометрических обзоров с данными для миллионов как близких, так и далеких звездных систем, однако, до сих пор было предпринято очень мало попыток провести совместный анализ большой выборки галактик различных типов, используя единый набор методов работы с данными. Ключевой методической частью проекта является разработка нового поколения моделей звездного населения, по качеству значительно превосходящего все опубликованные, для создания которых потребуется собрать библиотеки спектров звезд в оптическом и инфракрасном диапазонах спектра. Данная тематика является чрезвычайно трудоемкой, но в то же время очень востребованной в мировом астрономическом сообществе: статьи, представляющие спектральные библиотеки и модели звездных населений цитируются 400-1500 раз в течение 5-10 лет с момента публикации. Мы начали работу в данном направлении в 2012 году. Под эту задачу по результатам конкурсного экспертного отбора нам были выделены в общей сложности 25 ночей наблюдательного времени на 6.5-метровом телескопе Магеллан, в течение которых мы получили более 2000 спектров для 1000 звезд (что при стоимости наблюдательного времени 40000 долларов/ночь для исследователей из организаций, не входящих в консорциум Магеллан, эквивалентно 1 млн. долларов, выделенному на наш проект). В течение 2017-2019 гг. планируем завершить работы по этому ключевому направлению, которое может стать самым высоко-импактным исследованием в российской астрофизике на следующие 10-15 лет. Разработанные нашей группой революционные методы работы с большими выборками галактик, включая тонкий анализ их оптических спектров, вкупе с серьезным опытом автоматизированной работы с большими публичными обзорами неба в рентгеновском и радио диапазонах, позволят предпринять широкомасштабный поиск загадочной популяции черных дыр промежуточных масс в ядрах галактик. Важность обнаружения хотя бы нескольких достоверных черных дыр промежуточной массы невозможно переоценить, ведь за десятилетие активных поисков множеством международных научных групп был обнаружен лишь единственный надежный кандидат. Открытие новых объектов или даже целой популяции немедленно позволит наложить важные ограничения на стандартную теорию иерархического формирования галактик, выявить взаимосвязь между наличием черных дыр промежуточных масс и свойствами хозяйских галактик, включая их окружение, лучше понять условия роста сверхмассивных черных дыр в ядрах галактик и относительную роль в этом процессе аккреции межзвездного газа и слияния черных дыр меньшей массы из поглощаемых галактик. Кроме того, разработанные нами модели звездных населений нового поколения будут применены для анализа как публично доступных данных наблюдений, так и полученные с помощью крупнейших телескопов в России и за рубежом для нескольких десятков индивидуальных галактик различных морфологических типов от гигантских галактик низкой поверхностной яркости до карликовых эллиптических галактик. Мы планируем установить наиболее значимые механизмы эволюции галактик, как внутренние (отклик на звездообразование, самообогащение межзвездной среды тяжелыми элементами, начальная функция масс), так и внешние (слияния и взаимодействия галактик, приливные эффекты, влияние горячего межгалактического газа), изучить взаимосвязь массы центральных черных дыр с глобальными характеристиками галактик и их окружения, что в совокупности позволит значительно углубить понимание физических процессов, происходящих во Вселенной.

The study of galaxy evolution is a cornerstone of modern astrophysics and observational cosmology. Numerical models predict the statistical properties of galaxies (the mass function, the star formation history etc.), which agree well with the observations. At the same time, detailed studies of nearby galaxies have found significant discrepancies between observations and theory, some of which are related to oversimplifications introduced by theoretical modeling and a substantial part arises from the misunderstanding of the physics of processes occurring in galaxies. Significant progress in the understanding of the phenomena occurring in galaxies can be achieved by direct comparison of properties of objects at different distances - from nearby galaxies that are available for very detailed studies to distant, where it is possible to obtain only their general properties, but which in this case are at the earlier stages of evolution . It is very important to use the very same methods of data analysis, in order to avoid systematic errors of different nature, which can be mistakenly considered as being physical phenomena. Although for the past years astrophysics has accumulated a huge material, which includes the results of the large spectral and photometric surveys with data for millions of both near and distant stellar systems, there still has been no attempt to carry out joint analysis of a large sample of galaxies of different types, using the same set of methods when working with data. The key methodological component of our project is the development of new generation stellar population models with the quality that is superior to all the alternatives existing in the literature. To achieve that, it is necessary first to compile stellar libraries in the optical and near-infrared spectral ranges. This is extremely large effort which is on the other hand is highly demanded in the world astronomical community: stellar library and stellar population model papers are cited 400-1500 times in the first 5-10 years from their release. We have started this program in 2012. Since then, as a result of peer-reviewed calls for proposals, we have been awarded 25 observing nights at the 6.5-meter Magellan telescope during which we obtained more than 2000 spectra of 1000 stars (given the operation cost of Magellan telescope $40000/night it is equivalent to $1 mln. already awarded to our project). During 2017-2019 we plan to complete this large-scale project which may become the highest impact study in Russian astrophysics for the next 10-15 years. For the first time our methods to deal with large samples of galaxies, including the detailed analysis of their optical spectra, combined with significant experience of the automated work with large public sky surveys at X-ray and radio wavelengths will help to perform a large-scale search for a mysterious population of intermediate mass black holes both in the nuclei and the outskirts of galaxies. The importance of finding at least a few reliable intermediate-mass black holes can not be overstated, as after the decade of active searches my a number of international research groups have brought only one reliable candidate. Discovery of a new candidate or even an entire population will immediately allow us to impose important constraints on the standard theory of hierarchical galaxy formation, to identify the relationship between the presence of intermediate mass black holes and properties of host galaxies including their environment, to better understand the conditions for the growth of supermassive black holes in galactic nuclei and the relative role of accretion of interstellar gas or smaller black holes mergers in this process. In addition, the new generation of our stellar population models will be used to analyze both publicly available observational data obtained with the largest telescopes in Russia and abroad for several dozen individual galaxies of various morphological types from giant LSB galaxies to dwarf elliptical galaxies. We plan to establish the relative importance of different mechanisms of evolution of galaxies, both internal (such as star formation feedback, self-enrichment of the interstellar medium with heavy elements, the initial mass function) and external (merging and interaction of galaxies, tidal effects, the impact of hot intergalactic gas), also to examine the relationship between the mass of central black holes and global galaxies characteristics, all of which will greatly improve the understanding of the physical processes occurring in the Universe.

Результаты проекта будут опубликованы не менее, чем в 15 статьях в журналах, индексируемых в Web of Science за 3 года, из которых минимум 12 будут в престижных зарубежных реферируемых журналах Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (Великобритания, IF=5.107), Astrophysical Journal (США, IF=5.993), Astrophysical Journal Supplement (IF=11.7), Publications of the Astronomical Society of the Pacific (США, IF=3.496). Учитывая положительный опыт руководителя и одного из основных исполнителей проекта в публикациях статей в междисциплинарном журнале Science (IF=33.6), мы надеемся, что одна-две работы в рамках данного проекта будут опубликованы в этих журналах и/или в недавно созданном журнале Nature Astronomy. Наиболее важным методическим результатом станет создание нового поколения моделей звездных населений в оптическом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра и публикация уникальной библиотеки инфракрасных звездных спектров среднего разрешения, которая будет востребована мировым научным сообществом в течение следующих 20-30 лет. При помощи детального моделирования сложных профилей эмиссионных линий в спектрах галактик будут впервые массово измерены массы черных дыр в активных ядрах галактик для недоступных ранее размеров выборки в десятки тысяч галактик и более. Помимо новых ограничений на соотношения между глобальными свойствами галактик и массами центральных черных дыр, полученных в этом исследовании, будут отобраны кандидаты в центральные черные дыры промежуточных масс, существование которых предсказывается стандартными теориями формирования галактик, но еще наблюдательно не было подтверждено, несмотря на все усилия международного научного сообщества. Помимо научных статей, мы планируем расширение многоволнового каталога RCSED (Reference Catalog of Spectral Energy DIstributions of galaxies), его инфраструктуры и веб-сервиса, с целью включения в него данных об анализе широких линий активных галактик и далеких квазаров, что позволит другим научным группам проводить разносторонние исследования активных ядер галактик (уточнение масштабных соотношений, поиск двойных активных ядер, изучения обратной связи от AGN). Также мы расширим сервис “K-corrections calculator” (http://kcor.sai.msu.ru/) для галактик на средних красных смещениях, что значительно увеличит его ценность для научного сообщества в связи с большим количеством данных для далеких галактик, полученных в течение последних 10 лет.

Коллектив разработал методику аппроксимации спектров NBursts, позволяющую извлекать внутреннюю кинематику одновременно с параметризованной историей звездообразования из абсорбционных спектров. На протяжении последних 10 лет руководитель проекта являлся одним из активных игроков на поле разработки и эксплуатации Виртуальной Обсерватории. При этом он работал как над созданием новых технологий доступа к данным и их анализа, так и использованию этих технологий для научных исследований. Успешно защищенная докторская диссертация представляет собой первый пример законченного научного исследования, которое можно отнести к реализации концепции Data Mining в современной астрофизике. Одним из сильных результатов в данной парадигме было изучение компактных эллиптических галактик, выполненное исключительно с использованием архивных данных и опубликованное в 2015 г. в журнале Science. Коллективом была поставлена задача создания библиотеки спектров звезд в ближнем инфракрасном диапазоне спектра, была скомпилирована выборка звезд, разработана стратегия наблюдений и начаты сами наблюдения. На начало 2017 г. мы получили спектры 1100 звезд, что стало базой для реализации данного направления в нашем проекте и позволит нам завершить работы по этому направлению в ближайший год. В рамках работы над каталогом RCSED (http://rcsed.sai.msu.ru/, Chilingarian et al., ApjS, 228, 14C, 2017, IF=11.257) мы начали развивать массивно параллельную кластерную инфраструктуру для быстрого анализа больших объемов данных с использованием современных технологий параллелизации SCOOP и виртуализации Docker. Все предлагаемые в проекте алгоритмы (декомпозиции профилей эмиссионных линий, редукция спектральных данных и построение моделей звездных населений) будут интегрированы в эту инфраструктуру. В распоряжении у коллектива находится увеличивающийся объем высококачественных спектральных данных для карликовых эллиптических галактик, доступных в публичных архивах крупных обсерваторий.