Quick Detection System (QDS) -ohjelmisto tunnistaa muuttuvat pistelähteet Planckin datavirrasta hyvin lyhyessä ajassa havainnon jälkeen. Haluamme saada tiedon mielenkiintoisista lähteistä noin viikko sen jälkeen, kun satelliitin data on lähetetty maahan. QDS käyttää dataa kaikista LFI-vastaanottimista.
QDS:n apuna on ennen satelliitin laukaisua koottu ekstragalaktisten radiolähteiden luettelo. Tätä luetteloa päivitetään myös QDS:n tuottamilla havainnoilla. Näin saadaan mahdollisimman kattava luettelo, jonka eri aikoina mitattuja tuloksia voidaan vertailla keskenään. Ohjelman operaattori tarkistaa kaikki sen tuottamat havainnot päivittäin, ja kiinnostavista lähetetään tieto yhteistyökumppaneille jatkohavaintojen tekemistä varten.
QDS:n paikka Planckin datankäsittelyputkessa
Ohjelmiston toiminta
QDS on C++-kielellä toteutettu ohjelma johon on integroitu kaikki tarvittava toiminnallisuus. Se on toteutettu pääasiassa Planckia varten mutta sitä voidaan käyttää myös muulle datalle tietyin edellytyksin. Ohjelman toimintaa ohjataan pääasiassa sen konfiguraatiotiedoston avulla, jossa on määritelty kaikki sen tarvitsemat parametrit.
QDS:lle määritellään käsiteltävät datarenkaat ja vastaanotinryhmät. Jokaisen vastaanotinryhmän data käsitellään erikseen rengas kerrallaan, ja lopuksi kaikki tulokset yhdistetään. Seuraavassa kuvassa on esitetty QDS:n toiminta yhden renkaan osalta.
QDS:n datankäsittelyputki
Ensimmäinen askel renkaan käsittelyssä on sen normalisointi. Planck kuvaa samaa taivasympyrää 60 kierrosta ja muuttaa sen jälkeen pyörimisakselinsa suuntaa. Normalisoinnissa nämä 60 rengasta keskiarvoistetaan yhdeksi kohinavaimennetuksi renkaaksi, jonka alkukohta ja suunta ovat hyvin määritellyt. Samalla näytteiden suure muunnetaan antennilämpötilasta (T [K]) vuontiheydeksi (S [Jy]).
Renkaiden
normalisointiperiaatteet. Normalisoitu rengas alkaa ekliptisestä
pohjoisesta ja kiertää suuntausvektorin myötäpäivään.
Normalisoitu rengas on suoraviivaista keskiarvoistaa muiden normalisoitujen renkaiden kanssa. Samalla taivasympyrällä olevat vastaanottimet joilla on samat ominaisuudet muodostavat yhden vastaanotinryhmän, jonka data saadaan keskiarvoistamalla jäsenvastaanottimien renkaat yhteen. Tämän lisäksi voidaan kohinaa yrittää vaimentaa vielä lisää keskiarvoistamalla peräkkäisiä renkaita yhteen.
Seuraavaksi on vuorossa itse pistelähteiden etsintä. Renkaat suodatetaan meksikolaishattusuodattimella, jonka parametrit on säädetty siten että se korostaa signaalissa olevia pistelähteitä. Suodatuksen jälkeen määritetään renkaan kohinataso σ (RMS-kohina) ja data kynnysarvoistetaan pistelähteiden löytämiseksi. Kynnysarvo on yleensä kohinatason moninkerta, mutta se voidaan antaa myös suoraan vuontiheytenä. Seuraavat kuvat havainnollistavat meksikolaishattusuodattimen vaikutusta signaaliin.
Esimerkkirengas jossa 5 Jy pistelähde kohdassa
n = 600 ennen ja jälkeen suodatuksen. Huomaa
erityisesti taustan suuret rakenteet kohdissa
n ≈ 150 ja n ≈ 1150
sekä näiden aiheuttamat väärät havainnot. Kynnysarvo
4σ ≈ 0,85 Jy on merkitty
suodatettuun renkaaseen katkoviivalla.
Koska pistelähde näkyy yleensä useassa renkaassa, pitää kaikkien renkaiden tulokset yhdistää duplikaattien estämiseksi ja oikeiden paikka- ja kirkkaustietojen määrittelemiseksi. Tarpeeksi lähellä olevan havaintopisteet yhdistetään yhdeksi havainnoksi, jonka vuo ja paikka määrittyy sen kirkkaimman pisteen perusteella. Lopuksi määritetään mitä QDS:n lähdetietokannassa olevaa lähdettä havainnot vastaavat ja ne tallennetaan tämän lähteen havaintohistoriaan. Hälytyskriteerit täyttävistä havainnoista tehdään hälytys operaattorille.
Hälytyskriteerit
QDS:n tarkoitus ei ole poimia jokaista tietyn kynnysarvon ylittämää pistelähdettä, vaan valikoida vain ne tarpeeksi kiinnostavat lähteet joista kannattaa tehdä jatkohavaintoja. Tätä varten ohjelmalla on neljä alla kuvattua kriteeriä, joista yhdenkin täyttyminen aiheuttaa hälytyksen kyseisestä lähteestä.
-
Aiempaa kirkkaampi lähde
Lähteen vuo on tarpeeksi paljon suurempi kuin mikään sen historiasta löytyvä havainto kyseisellä taajuudella. Käytännössä tämä ilmaistaan epäyhtälön
S > cSmaxtoteutumisella, missä S on nykyinen vuo, Smax suurin vuo samalla taajuudella ja c kynnyskerroin, tyypillisesti c > 1.
Tällä kriteerillä yritetään havaita purkaus sellaisissa lähteissä, jotka eivät ole ennen purkautuneet. Tällöin purkaus tarkoittaa juurikin vuon nousua lähteen normaalin maksimitason yläpuolelle.
-
Uusi purkaus
Vuo on tarpeeksi paljon suurempi kuin edellinen havainto kyseisellä taajuudella, edellisen havainnon ollessa tarpeeksi tuore. Tämä ilmaistaan epäyhtälön
S > cSprev ∧ t − tprev < Ttoteutumisella, missä Sprev on edellinen vuo, tprev edellisen vuon ajankohta ja T aikaraja, tyypillisesti luokkaa pari kuukautta.
Tällä kriteerillä havaitaan lähteitä, joiden vuo on (suhteellisen) nopeassa nousussa. Tämä saattaa johtua uudesta alkavasta purkauksesta, mikä tekee lähteestä mielenkiintoisen.
-
Lähteet joilla on käänteinen spektri
Lähteellä on käänteinen spektri laskettuna viimeisimmistä havainnoista. Tämä ilmaistaan epäyhtälönä
α1,2 > A ∧ |t1 − t2| < Tmissä A on kynnysarvo, tyypillisesti A > 1, ja α1,2 on lähteen spektri-indeksi taajuuksien ν1 ja ν2 välillä, laskettuna kaavalla
α = log(S1/S2) / log(ν1/ν2)Huomaa, että tässä käytetään spektri-indeksin taajuuteen verrannollista määritelmää S ∝ να, joka on yleisempi radioastronomiassa. Toinen yleisesti käytetty on aallonpituuteen verrannollinen, jonka antama spektri-indeksi on yllä olevan vastaluku.
Spektri-indeksin laskemiseksi havaintojen eri taajuuksilla (ajanhetkinä t1 ja t2) tulee olla riittävän samanaikaisia, muuten lähteessä tapahtuneet muutokset saattavat vaikuttaa siihen. Tämän takia kriteerissä on mukana havaintojen samanaikaisuusraja T, joka on tyypillisesti luokkaa pari viikkoa.
-
Uudet lähteet
Mikäli havaittu pistelähde ei löydy QDS:n tietokannasta, on kyseessä uusi lähde joka aiheuttaa hälytyksen pelkästään sen uutuuden perusteella. Luultavasti suurin osa QDS:n havaitsemista lähteistä tulee olemaan uusia, ja suuri osa uusista lähteistä tulee olemaan virhehavaintoja, jotka johtuvat kohinasta, linnunradasta tai muusta taustasta. Tämän takia ohjelman operaattorin täytyy tarkistaa uudet lähteet erityisen huolellisesti.
Ohjelman testaus ja jatkosuunnitelmat
Samalla kun ohjelmaa on toteutettu sitä on testattu Planckin simulaattorin tuottamalla datalla jotta sen toimivuus on voitu varmistaa. Laajempaa testausta suuremmalla datamäärällä pitää vielä tehdä, jotta voidaan määrittää optimaaliset arvot ohjelman konfiguraatioparametreille.
Ohjelmaan mahdollisesti tulevaisuudessa lisättäviä ominaisuuksia ovat mm. tuki sovitetulle suodattimelle (matched filter), maksikolaishattusuodattimen optimaalileveyden automaattinen määrittäminen sekä useamman kynnysarvon käyttö renkaassa riippuen näytteen galaktisista koordinaateista.