Binary and multiple stellar systems have been observed using various methods and tools. Catalogs of binaries of different observational types are independent and use inherent star identification systems. Moreover, components of stellar systems refer identifiers of surveys and catalogs of single stars. The problem of cross-identification of binary stars of different observational types as well as sky surveys is non-trivial and related to resolution of various kinds of conflicts. It requires not only combining lists of existing identifiers of specific stars, but matching components of multiple systems according to astrometric and astrophysical parameters for further referring of identifiers to matched components and to each other. This paper describes development of tools for creating the Identification List of Binaries (ILB) including cross-matching of systems, their components and pairs of all observational types. This work continues research of binary and multiple systems matching methods.
Двойные звезды довольно многочисленны и Труды XIX Международной конференции «Аналитика и управление данными в областях с интенсивным использованием данных» (DAMDID/ RCDL’2017), Москва, Россия, 10–13 октября 2017 года составляют значительную часть звездной популяции галактики (от 20% до 90%, по разным оценкам для разных выборок). Значительная частьдвойных звезд на самом деле являются системами большей кратности. Самый большой каталог визуальных двойных звезд WDS [1] содержит более 100 000 пар, из которых 25000 в системах с кратностью три и больше. Есть веские основания считать, что компоненты двойной звезды формируются одновременно и в дальнейшем эволюционируют параллельно, оставаясь в системе. Фактором, определяющим ход эволюции, является распределение первоначальной массы между компонентами. Поэтому для определения принадлежности компонентов системе необходимо оценивать общность их эволюции.
Двойные звезды подразделяют на несколько типов в зависимости от способа их наблюдения. Для каждого типа наблюдений формировались отдельные каталоги с собственными наборами наблюдаемых параметров. Основные наблюдательные типы составляют визуальные, астрометрические, орбитальные, интерферометрические, затменно-переменные, спектральные двойные.
Среди визуальных пар различают оптические и физические двойные. И те, и другие пары можно найти в каталогах визуальных двойных, в частности, в WDS. Оптические пары состоят из весьма далеких и несвязанных в пространстве звезд, проецирующихся на небесную сферу близко друг к другу в направлении наблюдения. Физические пары представляют собой близко расположенные в пространстве компоненты, связанные силами тяготения, обращающиеся вокруг общего центра масс по законам Кеплера. Если наблюдения продолжаются достаточно долго, может прослеживаться полное обращение звезды. В результате их наблюдений определяют взаимное угловое расстояние компонентов и позиционный угол. Это самая многочисленная группа известных двойных звёзд. Основными каталогами визуальных двойных являются WDS, CCDM [2], Tycho [3].
Если один из двух компонентов не виден по тем или иным причинам, двойственность можно обнаружить по изменению положения на небе второго компонента. В таком случае говорят об астрометрических двойных звёздах. Основными каталогами таких звёзд являются два каталога Makarov and Kaplan. Затменно-переменные двойные звезды представляют собой пары, радиус обращения которых сравним с размерами самих звезд, а плоскости орбит этих звезд и луч зрения наблюдателя практически совмещаются. Эти звезды обнаруживаются явлениями затмений, проявляющимися периодическим падением яркости наблюдаемой звезды. В результате наблюдений определяются параметры кривых блеска, отражающие закономерности изменения яркости звезды со временем. Основными каталогами затменных являются ОКПЗ [4] и CEV2. Интерферометрические двойные звезды наблюдаются при помощи Фурье-анализа изображений телескопов, увеличивающего разрешающую способность до дифракционного предела. Обнаруженные таким образом двойные представлены в каталоге INT4. Спектральные двойные звезды представляют собой пары, обращающиеся в плоскости, слабо наклоненной к направлению луча зрения наблюдателя. Они обнаруживаются при спектроскопических наблюдениях лучевых скоростей. Линии в спектрах таких звезд регулярно смещаются или раздваиваются из-за эффекта Доплера, что свидетельствует о двойственности звезды. В результате наблюдений определяют кривые лучевой скорости, амплитуду и период колебаний. Основным источником данных о спектральных двойных является каталог SB9 [5]. Существуют и другие наблюдательные типы двойных и специализированные каталоги.
В разных сообществах исследователи специализировались на различных способах наблюдения двойных, поэтому принципы построения каталогов разных наблюдательных типов двойных никоим образом не согласовывались. В дополнение к существенной неоднородности, рождающей конфликты, проявляющиеся при интеграции каталогов, в большинстве каталогов созданы собственные системы идентификации двойных. Некоторые из каталогов также содержат ссылки на идентификаторы соответствующих наблюдений в обзорах одиночных звёзд.
База данных двойных (BDB) [6], созданная авторами данной статьи, включает данные о двойных и кратных системах всех наблюдательных типов, собранные из разных каталогов, с некоторыми общими параметрами и отсылкой на оригинальные каталоги по идентификаторам. При создании базы была осознана необходимость разработки специализированной системы идентификации (BSDB) [7], учитывающей идентификацию компонентов, пар внутри систем и кратных систем в целом. Однако эта система сама по себе не решает изначальную неоднородность идентификаторов и требует аккуратного отождествления с идентификаторами разных систем идентификации.
C этой целью отдельно создаётся каталог идентификации двойных ILB, объединяющий в себе перекрёстные значения целого ряда систем идентификации. Для создания этого каталога недостаточно просто свести в таблицу необходимые идентификаторы, исходя из совпадения уже присутствующих в оригинальных каталогах перекрёстных идентификаций, так как эта работа сталкивается с множеством конфликтных ситуаций. Разрешение возникающих конфликтов основано на астрометрическом и астрофизическом подходах к отождествлению компонентов, пар и систем звёзд.
Разработан алгоритм отождествления многокомпонентных сущностей, позволяющий корректно соотносить данные различных наблюдений кратных звёздных систем. Результат его работы используется для разрешения мере двойных обновляемыми, ними. систем идентификации.
Основной целью данной работы является описание реализации каталога идентификаторов двойных звезд ILB (Identification List of Binaries), который объединяет идентификаторы двойных и кратных звезд всех наблюдательных типов. Формирование каталога потребовало создания инструментария, предназначенного для заполнения и поддержки базы идентификаторов в актуальном состоянии, а также расширения её по необходимости.
Некоторые каталоги и обзоры являются
периодически соответственно база идентификаторов должна обновляться вместе с сущности.
Основные принципы алгоритма, лежащего в основе инструментов создания ILB, приведены в разделах 2 и 3. Раздел 4 посвящён вопросам реализации
программных результатам создания каталога. инструментов и 2 Каркас для отождествления двойных и кратных звёзд
Общий подход к отождествлению одиночных и многокомпонентных построение множеств сущностей
включает кандидатов на идентификацию для каждой сущности или её компонента и применение набора критериев отождествления, ограничивающих такие множества кандидатов. Критерии отождествления формируются на основании знаний предметной сущностей, включают в себя различные критерии сходства для подмножеств значений атрибутов и структур графов, которые позволяют оценивать тождественность многокомпонентных сущностей. Критерии, основанные на знаниях о сущностях предметной области, могут ограничивать возможные значения атрибутов или их сочетание у одной сущности или вводить ограничения на изменчивость отождествляемых значений
атрибутов объектов.
Атрибуты могут иметь константные значения для определённой сущности, либо менять значения в рамках определённых
ограничений, выход за которые будет означать, что объекты описывают разные Графовые критерии могут включать правила отождествления, основанные на ограничениях структуры
многокомпонентных сущностей, или делать выводы об отождествлении многокомпонентных сущностей или компонентов на основе уже
установленных идентификаций других компонентов. 2.1 Унификация данны х в предметной области Типы сущностей задаются концептуальной схемой предметной области. Она определяет абстрактные типы данных, описывающие структурированное представление информации о сущностях, их
ограничениях, спецификации поведения сущностей. а также типов системой.
Для каждого типа сущности в концептуальной схеме создается абстрактный тип данных [ 1, … , , … ], содержащий атрибуты для описания характеристик, которые сущность может иметь в данной предметной области. В предметной области двойных и кратных систем звёзд все астрономические объекты и связь их друг с другом рассматриваются в терминах трёх основных типов сущностей: кратных систем звёзд в целом, их отдельных компонентов и пар компонентов. Особым типом является также тип идентификатора, который связывается с одним из объектов: компонентом, парой или Набор источников данных (обзоров и каталогов) определенного хранит данные о
сущностях типа, структурированных как кортежи [ 1 , … , , … ], содержащие атрибуты , относящиеся к характеристикам сущности в типе . В разных астрономических каталогах исходных данных в соответствующее значение типа : : → Функция отображения представляет собой набор унификации, применяемые к атрибутам типов . Например, параметр прямого восхождения в каталоге над рассматриваемым ( ) и отождествляемым ( ) объектами: Предикат { ∈ | может
( , )} использовать значения атрибутов и флаги самих объектов, а также атрибуты и флаги их компонентов в случае, если объекты многокомпонентные.
Так, для отождествления пары звёзд могут сравниваться как значения атрибутов самих пар, так и атрибутов каждого
из тождественных компонентов пары.
Например, в парах должны быть близкие значения собственных
движений компонентов. Функция, сравнивает движения определяющая данный критерий, значения атрибутов
собственного рассматриваемой пары и парыкандидата, либо при отсутствии значений у пар может получать данные о собственном движении из атрибутов компонентов пар и сравнивать их.
Уникальная идентификация – особая ситуация, когда множество после применения всех возможных критериев содержит единственный объект из определённого источника данных в качестве кандидата на идентификацию. В [8] был кратко описан состав знаний, используемых для формирования критериев отождествления, используемых на каждом этапе.
Для составления критериев отождествления компонентов систем как одиночных объектов рассмотрены следующие ограничения предметной области, связанные одиночными звёздными объектами: • близость отождествляемых компонентов по координатам; • учёт изменения координат в разные наблюдательные эпохи по причине прецессии земной оси и собственного движения компонентов; • близость направления и скорости собственного движения звёзд; • близость тригонометрического параллакса компонентов, говорящего об их расстоянии от наблюдателя; • близость значений блеска или разницы показателей цвета при условии известных фотометрических полос пропускания и с учетом чувствительности к низким и высоким пределам величины; • учет возможной переменности звёзд при сравнении блесков; • сходство эволюционных статусов звёзд; • сходство спектральной классификации звёзд.
На основе выборки кандидатов на идентификацию компонентов систем составляется граф, содержащий пары из различных каталогов двойных. Для составления критериев отождествления широких визуальных пар в полученном графе рассматривались следующие ограничения: • если в парах выделены компоненты, кандидаты на идентификацию пар формируются на основе множеств кандидатов на идентификацию компонентов, сформированных с применением вышеописанных критериев; • проверяется близость значений позиционного угла и углового расстояния; • предельная разность позиционных углов с учётом углового расстояния для оценки возможного вращения компонентов в паре; • учёт минимальной оценки периода вращения пары; • учёт данных орбитального движения; • близость направления и скорости собственного движения пары в целом или компонентов в паре; • возможность существенного различия собственных движений компонентов в оптических парах; • близость разницы блесков компонентов в паре; • учёт эффективного углового разрешения (расстояние в паре меньше предела различения объектов в каталоге); • сходство химического состава и эволюционного статуса компонентов физических парах; • учёт известного наблюдательного типа пары. Идентификация многокомпонентных объектов зависит от идентификации их компонентов. Уникальная идентификация всех компонентов означает идентификацию всего объекта. Уникальная идентификация пар (дуг в графах) означает идентификацию обратных пар. Уникальная идентификация многокомпонентных объектов как целого означает, что идентификация всех компонентов должна быть разрешена среди кандидатов, принадлежащих идентифицированному объекту.
В действительности, наиболее сильные ограничения дают критерии отождествления компонентов на основании координат, а пар – на основании расстояния между компонентами и позиционных углов. При разработке каталога ILB для отождествления кратных систем использовался сокращённый набор критериев. В подавляющем большинстве случаев для идентификации отдельных компонентов достаточно применения критериев отождествления, связанных с координатами и взаимном положении компонентов. Остальные критерии не дают существенного эффекта при решении данной задачи, хотя могут быть использованы для проверки качества данных. Задача поиска ошибок в оригинальных каталогах на данный момент не ставилась.
Для отождествления компонентов, в первую очередь, ограничивается область координат отождествляемых объектов для наибольшего ограничения количества кандидатов на идентификацию компонентов. Отождествление пар также проводится с применением наиболее сильных критериев. Используется критерий близости позиционных углов и угловых расстояний. На данный момент упомянутые критерии реализованы совместно в виде функционала.
f1 = (r1 - r2) * (r1 - r2) / max(r1, r2) / max(r1, r2) + (t1 - t2) * (t1 - t2) / max(t1, t2)/ max(t1, t2);
f2 = (r1 - r2) * (r1 - r2) / max(r1, r2)/ max(r1, r2) + (t1 - t2 - 180) * (t1 - t2 180) / max(t1, t2)/ max(t1, t2);
X1 = Math.min(func1,func2)/2; Здесь r1, r2 – угловые расстояния между компонентами в отождествляемых парах, t1, t2 – соответствующие позиционные углы. Метрика X1 не должна превышать некоторого предела для ограничения множества кандидатов на идентификацию. Для малых расстояний между компонентами используется метрика, игнорирующая значения позиционных углов и оценивающая только координаты. Для однозначной идентификации не должно присутствовать других звёзд в окрестности, удовлетворяющих этому критерию. Алгоритмы отождествления имеют сложность порядка O(n2 log n).
Реализация критериев для формирования ILB
сегодня ещё претерпевает изменения. В случае,
если есть данные об эпохах наблюдения и
собственных движениях, должен использоваться
критерий сравнения координат,
скорректированных по прецессии и собственному
движению, что повышает качество
автоматической идентификации [
Идентификаторы отождествляются по принадлежности одним и тем же компонентам, парам и системам. Зачастую один и тот же идентификатор в одном каталоге должен соответствовать компоненту (или одиночной звезде), а в другом – паре звёзд, так как угловое разрешение каталога позволяет различать эту пару визуально. Разрешение таких конфликтов происходит за счёт качественного отождествления компонентов и пар и существенно влияет на результат сопоставления идентификаторов в ILB.
Например, одним из критериев отождествления пар звёзд является требование близких значений их собственных движений. 4 Система идентификации и состав идентификаторов
Основной системой идентификации в ILB является BSDB [7], разработанная и зарегистрированная авторами статьи. Она позволяет описывать кратные системы в целом, составляющие их пары звёзд, компоненты, учитывает возможность корректировки систем при открытии новых компонентов. Она используется для обозначения кратных систем всех наблюдательных типов.
При разработке инструментов построения каталога идентификаторов двойных и кратных звёзд ILB учитывались необходимость модификации и повторного использования программ. В архитектуре инструментов учтены возможности подключения произвольных каталогов, изменения правил отождествления для разных типов сущностей. Использовался язык Java и шаблон проектирования IoC (Inversion of Control), в котором управление остаётся за каркасом, а логика работы с объектами сосредоточена в независимых и взаимозаменяемых модулях. При этом подключение каталогов или модификация алгоритмов для работы с разными наблюдательными типами астрономических объектов становятся простыми задачами. Инструмент содержит необходимый на сегодня набор методов отождествления и вспомогательные методы для работы с данными из каталогов, кэширования объектов небольшой части неба, очистки данных, сбора статистики.
ILB в настоящий момент является каталогомосновой (или мастер-каталогом) для BDB и содержит все данные BDB по кроссидентификации более 130000 двойных и кратных систем. ILB содержит координаты и перекрёстные ссылки на следующие идентификаторы: Bayer/Flamsteed, DM (BD/CD/CPD), HD, HIP, ADS, WDS, CCDM, TDSC, GCVS, SBC9. На данный момент в списке идентификаторов ILB находится: • Систем :136885; • Записей о парах :313811; • Записей о компонентах :627460.
И идентификаторов: • HIP:36560, из которых 20701 уникальных; • HD:29882, из которых 27917 уникальных; • DM:121067, уникальных 105569; • ADS:49067, уникальных 15389; • FLAMSTEED:1622, уникальных 1529; • BAYER:600, уникальных 548. Заключение
Проблема сопоставления идентификаторов, используемых для обозначения двойных и кратных звёзд различных наблюдательных типов решается составлением каталога идентификации ILB.
В работе описана проблема перекрёстной идентификации кратных звёздных систем. Приводятся принципы и каркас системы разрешения многокомпонентных сущностей, и применение этих принципов для перекрёстного отождествления кратных звёздных систем, включая отождествление компонентов и пар с привлечением всех имеющихся астрометрических и астрофизических параметров объектах. Рассказано о реализации инструментария для создания и поддержки каталога ILB.
Каталог ILB содержит перекрёстную идентификацию кратных звёзд, содержащихся в каталогах двойных всех основных наблюдательных типов. База идентификаций используется обеспечивает все необходимые идентификации для базы данных двойных звёзд BDB и формирует используемые в ней идентификаторы двойных и кратных звёзд в системе идентификации BSDB. Благодарности
Работа выполнена при поддержке РФФИ (гранты 16-07-01162, 16-07-01028). Литература [1] Mason, B.D., et al. The Washington Visual Double Star Catalog. VizieR on-line data catalog: