Szintetikus színképkönyvtárat küld az ELTE az űrbe

Az ELTE Gothard Asztrofizikai Obszervatórium munkatársai, Mészáros Szabolcs – aki jelenleg az MTA Prémium posztdoktori kutatói programjának ösztöndíjasa – és Kovács József, a Space Telescope Science Institute (STScI) Ralph Bohlin által vezetett kutatócsoportjával együttműködve, jelentős részben saját programkódok felhasználásával új, szintetikus színképekből álló adatbázist állítottak össze, amelynek adatait fel fogják használni a James Webb űrtávcső (James Webb Space Telescope, JWST) műszereinek kalibrálásában is.

A Hubble űrtávcső utóda jól ismert csillagok megfigyelésével nyert fényességértékek és színképek elméleti modellekkel való összehasonlításával tudja műszereit kalibrálni, ennek alapja az új adatbázis. A „BOSZ” spektrumkönyvtár – amelynek megjelölését a csoport két vezetőjének nevéből (Ralph BOhlin és Mészáros SZabolcs) képezték – a Mészáros és munkatársai által 2012-ben kiszámolt csillaglégkör-modelleken alapul. A BOSZ színképei az STScI munkatársainak köszönhetően a Mikulski Archive for Space Telescopes adatbázis részeként bárki számára kereshető formában elérhetők és letölthetők innen.

Egy csillag valódi színképének szintetikus spektrumokkal történő összevetésével becslés adható a csillag fizikai paraméterei közül az effektív hőmérséklet (Teff), a felszíni gravitációs gyorsulás (log g) és a Napéhoz viszonyított kémiai összetétel értékeire. Utóbbi esetében lehetőség van az ún. fémesség ([Fe/H]), azaz az összes többi kémiai elemnek a csillag hidrogéntartalmához viszonyított arányának megállapítására vagy ezen belül jó néhány egyedi kémiai elem koncentrációjának mérésére. A származtatott paraméterek természetesen függenek attól, hogy a szintetikus spektrumokat milyen feltevéseken – például lokális termodinamikai egyensúly a csillag légkörében (LTE) – alapuló modellből és milyen színképvonal-listák felhasználásával számolták ki.

A spektrumadatbázis létrehozásánál a legfontosabb szempont az volt, hogy a csillagok légkörének tulajdonságait leginkább befolyásoló fizikai paraméterek és a kémiai elemek részarányai nagy tartományt fogjanak át. Utóbbiak közül a legfontosabb a szén vashoz ([C/Fe]) és az ún. alfa-elemek vashoz viszonyított arányának ([α/Fe]) figyelembevétele. A BOSZ adatbázis összesen 312 kémiai összetételt tartalmaz: a legfémszegényebb modellek például 316-szor kevesebb héliumnál nehezebb elemet tartalmaznak, mint a Nap. Egy-egy kémiai összetételen belül az effektív hőmérsékletek 3500 K-től 30 000 K-ig, míg a log g értékek 0-tól 5-ig terjednek, a kezdőértékük azonban a hőmérséklettől függ. Az így létrehozott adatbázis lefedi a megfigyelhető csillagok paramétereinek 99%-át, a leghalványabb vörös törpéktől kezdve egészen a szuperóriás csillagokig.

A kiszámolt szintetikus színképek száma közel 1,3 millió, ezek több felbontást is lefednek R = 300 000 és R = 200 között, ami még inkább segíti a felhasználhatóságukat. (Egy színkép felbontása azt mutatja meg, hogy mennyire finom részletek figyelhetők meg benne. Minél nagyobb a szám, annál jobb a felbontás, és annál több információ olvasható ki belőle.) A színképek hullámhossztartománya 100 nanométertől 320 mikrométerig terjed, azaz a távoli ultraibolyától a szubmilliméteres tartományig a teljes elektromágneses spektrumot lefedik.

Ezzel a BOSZ adatbázis a jelenleg elérhető legnagyobb hullámhossz-, atmoszferikus paraméter- és kémiaiösszetétel-tartományt lefedő spektrumkönyvtár. A hullámhosszértékek vákuumra vonatkoznak, hiszen a JWST – mint az a nevében is benne van – nem földi, hanem űrtávcső lesz. A BOSZ spektrumai azonban a hullámhosszakat a vákuumbeli értékről a levegőben érvényes értékre átszámolva nemcsak a JWST műszereivel nyert adatok elemzésénél, hanem a földi távcsövekre szerelt spektrográfok által szolgáltatott színképek vizsgálatában is használhatók.

A teljes, tömörített adatbázis mérete meghaladja a 3,7 TB-ot, kibontva azonban megközelíti a 20 TB-ot! A számolás párhuzamosan három hardveren zajlott. A színképek körülbelül 70 százalékát a Nemzeti Információs Infrastruktúra Fejlesztési Program (NIIF) budapest2 nevű szuperszámítógépe számolta ki, amelyen egy-egy kémiai összetétel lefutásához, egyszerre átlagosan mintegy 80 processzort igénybe véve, nagyjából egy nap kellett. A spektrumok mintegy 20 százalékát az ELTE IIG atlasz nevű konfigurációja generálta, míg a maradék 10 százalék számolása az ELTE Gothard Obszervatórium gépein futott le. Részletes statisztika az NIIF budapest2 gépéről áll rendelkezésre, itt több mint 250 ezer CPU-órát használt fel a projekt a számításokhoz.

A kutatást az MTA Prémium posztdoktori kutatói program és a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal (K-119517) támogatta, a szuperszámítógépekhez pedig az NIIF és az ELTE IIG biztosította a hozzáférést.

Az eredményeket részletező szakcikk az Astronomical Journal c. folyóiratban jelent meg: The Astronomical Journal, Volume 153, Issue 5, article id. 234, 11 pp. (2017). arXiv:1704.00653 [astro-ph.SR]