Русский
Русский
English
Статистика
Реклама

Физика

Перевод Советский реактор РБМК 35 лет после Чернобыльской катастрофы

04.06.2021 20:14:20 | Автор: admin
Тридцать пять лет назад на АЭС Форсмарк в Швеции сработала система предупреждения о радиационной опасности. После расследования было установлено, что источником радиации была не сама электростанция, а нечто, находящееся за её пределами. В итоге, с учётом направления господствующих ветров, было выяснено, что радиация пришла с советской территории. Советское правительство, после некоторых политических распрей, признало, что источником радиационного заражения была Чернобыльская атомная электростанция, на которой произошла авария.

Причины катастрофы были тщательно исследованы и сейчас у нас есть достаточно хорошее понимание того, что тогда случилось. Возможно, самый важный урок, который человечество вынесло из Чернобыльской катастрофы, заключается в том, что её причиной нельзя назвать недочёты конкретного реактора, или неправильные действия персонала в зале управления АЭС, или особенности отдельно взятого тоталитарного режима. Причиной происшествия такого масштаба стала целая цепь событий.



В пользу этой идеи говорит тот факт, что оставшиеся реакторы серии РБМК, включая три установки на Чернобыльской АЭС, функционировали без заметных проблем с 1986 года, а девять из них работают до сих пор. В ходе международного расследования причин возникновения Чернобыльской катастрофы в соответствующих отчётах МКГЯБ постоянно говорится о недостаточном уровне культуры безопасности.

Анализ обстоятельств, которые привели к созданию четвёртого энергоблока Чернобыльской АЭС и к последующему его использованию, потенциально опасному, может дать человечеству множество знаний о предотвращении катастроф. Это история о том, какую важную роль культура безопасности играет в отраслях промышленности, где цена аварий измеряется человеческими жизнями.

Анатомия катастрофы


За два года до аварии на Чернобыльской АЭС, в ночь на 3 декабря 1984 года, в индийском городе Бхопал погибло более двух тысяч человек. Тогда на близлежащем химическом заводе компании Union Carbide India Ltd случился выброс смертельно опасного вещества метилизоцианата. В последующие годы умерло ещё более тысячи человек, а общее число пострадавших составило около полумиллиона.

Резервуар E610 источник смертоносного газа

Заражённые почва и грунтовые воды вокруг завода, теперь заброшенного, до сих пор представляют опасность, но люди продолжают жить в тех местах.

К катастрофе в Бхопале привели низкий уровень технического обслуживания оборудования, неисправные средства защиты, а так же отсутствие культуры безопасности. Всё это вместе позволило воде проникнуть через неисправные вентили в резервуар с метилизоцианатом, что привело, в результате экзотермической реакции, к образованию смертоносного газа. Американская компания-владелец завода (теперь она называется The Dow Chemical Company) не очистила место аварии после закрытия завода в 1986 году. Теперь эта задача возложена на местные власти.

Катастрофа 1986 года в Чернобыле во многом похожа на аварию в Бхопале. В частности недостаточным уровнем культуры безопасности. Всё началось ещё на этапе проектирования реактора РБМК (реактор большой мощности канального типа), когда, ради экономии, было решено использовать природный уран, а не обогащённый уран-235. Это означало увеличение размеров реактора, что привело к принятию решения о том, что в конструкции реактора не нужен корпус, который имеется у реакторов других типов (например у корпусных водо-водяных энергетических реакторов, ВВЭР). Корпус РБМК оказался бы слишком большим и слишком дорогим.

В РБМК имеется множество систем обеспечения безопасности, включая применение независимых петель контура охлаждения реактора, использования системы аварийного охлаждения реактора (САОР) и системы аварийного отключения реактора (SCRAM). Но там не было чего-то такого, что не дало бы операторам реактора по собственному усмотрению отключить все эти системы безопасности. В результате то, что должно было стать простым испытанием турбогенератора в режиме выбега (что предусматривало использование кинетической энергии, запасённой во вращающемся роторе турбогенератора, для выработки электроэнергии, необходимой для питания циркуляционных насосов в аварийной ситуации), превратилось в катастрофу.

Игры с реактивностью реактора


У каждого легководного реактора, где для охлаждения ядра реактора используется обычная вода, есть два основных параметра, которые позволяют узнать о том, в каком режиме работает реактор в номинальном, или нет, отклоняясь от него в большую или меньшую сторону. Они имеют отношение к реактивности реактора к количеству нейтронов с определённой скоростью (температурой нейтронов), присутствующих в некий момент времени в нейтронном эффективном сечении используемого в реакторе топлива.

В случае с ураном-235 необходимы так называемые тепловые нейтроны, но в ходе цепной ядерной реакции производится множество более быстрых нейтронов (их называют быстрыми нейтронами). Быстрые нейтроны могут быть замедлены до состояния тепловых нейтронов с использованием замедлителей нейтронов. Это повышает реактивность реактора. Для снижения реактивности реактора используются поглотители нейтронов, которые могут быть представлены водой и управляющими стержнями, которые часто делают из карбида бора.

В большинстве легководных реакторов обычная вода используется и для замедления нейтронов, и для поглощения нейтронов. А это значит, что если реактивность реактора возрастает, повышается скорость закипания воды, что увеличивает количество пара. Появление пара означает ухудшение возможностей замедления нейтронов, а это, в свою очередь, приводит к уменьшению количества имеющихся тепловых нейтронов, что создаёт цикл отрицательной обратной связи. Это то, что называется отрицательным паровым коэффициентом реактивности.

Верхняя часть реактора РБМК Ленинградской АЭС

У интересующего нас реактора РБМК второго поколения много общего с прототипом ядерного реактора первого поколения, в котором используется графитовый замедлитель. Собственно говоря, в РБМК графит тоже использовался в роли замедлителя нейтронов. Хотя это позволяло применять природный уран, это ещё и означало то, что РБМК работал с положительным паровым коэффициентом реактивности. Когда вода в контуре охлаждения реактора закипала и в ней возникали пузырьки, её возможности по поглощению нейтронов ухудшались, а эффект замедления нейтронов не менялся, что создавало возможность возникновения бесконтрольной ядерной реакции.

Эта неоднозначная особенность была признана приемлемой, так как она позволяла реакторам РБМК выдавать тепловую мощность, значительно превышающую ту, которую обеспечивали западные реакторы того времени. Предполагалось, что у хорошо обученного персонала не будет проблем с управлением реактором РБМК.

Как уже было бесчисленное количество раз доказано, например, когда затонул Титаник, менеджеры и маркетологи регулярно берут верх над инженерами. Любая катастрофа, которой можно было бы избежать за счёт правильного обслуживания техники и тщательного обучения персонала, становится неизбежной в условиях отсутствия культуры безопасности.

Закон Мёрфи в действии


Когда было запланировано отключение четвёртого энергоблока Чернобыльской АЭС для обслуживания, было решено провести на нём эксперимент с турбогенератором, для чего была отключена САОР. Но, прямо перед тем, как было запланировано начать эксперимент, решено было оставить реактор в работающем состоянии ещё на 11 часов, так как энергосеть нуждалась в энергии, вырабатываемой энергоблоком. Эта задержка привела к тому, что персонал дневной смены, который и должен был проводить эксперимент, сменился сотрудниками вечерней смены. Им, как результат, из-за отключённой САОР, пришлось вручную регулировать вентили гидравлической системы реактора.

Когда на службу пришли работники ночной смены, ожидающие, что им придётся иметь дело с остановленным и остывающим реактором, им сообщили о том, что эксперимент должны проводить они. Это означало, что мощность реактора нужно было снизить, перейти с полной мощности к 700 1000 МВт (тепловых), а потом прекратить подачу пара на турбину.
Схема контуров охлаждения РБМК

У реактора РБМК есть одна особенность, которая выражается в том, что он крайне нестабилен и сложен в управлении на низких уровнях мощности. Учитывая положительный паровой коэффициент реактивности, несовершенство конструкции управляющих стержней и образование, в качестве побочного продукта работы реактора, ксенона-135, поглощающего много нейтронов, мощность реактора упала менее чем до 100 МВт. Это привело к тому, что операторы начали убирать всё больше и больше управляющих стержней (включая стержни, имеющие отношение к автоматической системе управления) в попытке увеличить реактивность реактора. Это позволило реактивности медленно вырасти и дойти до уровней, близких к тем, которые требовались для проведения эксперимента.

Поток охлаждающей жидкости в ядре реактора был усилен для получения большего количества пара, но это понизило реактивность, поэтому два насоса были остановлены для того чтобы снова повысить реактивность реактора. В этой ситуации, когда практически все управляющие стержни были вынуты из реактора, и когда были отключены все системы безопасности, эксперимент свернули, несмотря на то что падение мощности, выдаваемой замедляемым генератором, привело к понижению давления воды, охлаждающей реактор. И, наконец, было принято решение воспользоваться системой аварийного отключения реактора, что привело бы к сравнительно быстрому вводу управляющих стержней в реактор для его остановки.

Стержни вытесняли воду из каналов, создавая пустоты, а графит на концах стержней способствовал повышению реактивности реактора. В результате роста реактивности в нижней части реактора теплоотдача реактора подскочила примерно до 30000 МВт (при номинальной теплоотдаче в 3000 МВт). Вода, охлаждающая реактор, немедленно закипела, циркониевая оболочка топливных стержней расплавилась, она прореагировала с паром, а в результате этой реакции выделился водород.

Первым взрывом (возможно, его причиной стал перегретый пар) сбросило крышку реактора и повредило крышу здания. Второй взрыв, который произошёл через несколько секунд (это, вероятно, взорвалась смесь водорода с кислородом), разрушил ядро реактора и прекратил цепную ядерную реакцию. Всё, что осталось от реактора 4, представляло собой разбросанные повсюду радиоактивные фрагменты ядра реактора и раскалённый кориум лаваподобная масса, состоящая из компонентов расплавленной активной зоны ядерного реактора, которая затекла в подвал здания реактора. Тем временем в ядре реактора загорелся графит, в воздух поднялся столб радиоактивного дыма, что и привело к тому, что в Швеции обнаружили следы радиационного заражения.

Конец эпохи РБМК


В наши дни всё ещё работают девять реакторов РБМК. Все они расположены в России. А три реактора, оставшиеся на Чернобыльской АЭС, были постепенно выведены из эксплуатации. Работающие реакторы РБМК усовершенствовали, учтя опыт катастрофы. А именно, речь идёт о следующих улучшениях:

  • Использование топлива с более высоким уровнем обогащения урана, что позволяет скомпенсировать наличие дополнительных управляющих стержней.
  • Использование большего количества поглотителей нейтронов для стабилизации реактора на низких уровнях мощности.
  • Ускорение работы системы аварийного отключения реактора (12 секунд вместо 18).
  • Ограничение доступа к органам управления реактором, отключающим системы безопасности.

Вот главные следствия этих изменений: значительно уменьшился положительный паровой коэффициент реактивности, реактором стало намного легче управлять на низких уровнях мощности, у операторов стало гораздо меньше возможностей для импровизаций.

Учитывая то, что реакторы типа РБМК и подобные им в наши дни совершенно не пользуются поддержкой общественности, в России будущее атомной электроэнергетики строится на реакторах типа ВВЭР. В частности, речь идёт о реакторе ВВЭР-1200, относящемуся к поколению 3+. В таких реакторах обычная вода используется для замедления нейтронов, для охлаждения реактора, а так же для поглощения нейтронов. Такие реакторы, при создании которых соблюдаются международные стандарты безопасности, заменят в будущие годы оставшиеся на российских атомных электростанциях реакторы РБМК.

Всё дело в культуре безопасности


Интересным противопоставлением идее о том, что реактор РБМК так опасен из-за положительного парового коэффициента реактивности, являются принципы, по которым построены реакторы CANDU (Canada Deuterium Uranium тяжеловодные водо-водяные ядерные реакторы производства Канады). Эти реакторы привлекают к себе так мало внимания, что обычные люди, не являющиеся гражданами Канады, обычно не знают о том, что в Канаде есть атомная промышленность, и о том, что Канада экспортирует эти реакторы во многие страны.

При этом в реакторах CANDU изначально использовался природный уран и они отличаются положительным паровым коэффициентом реактивности. Но, несмотря на это, активные и пассивные системы защиты таких реакторов способны предотвратить нечто вроде тех ошибок персонала, которые были совершены в Чернобыле, или что-то вроде частичного расплавления активной зоны реактора (при отрицательном паровом коэффициенте реактивности) при аварии на АЭС Три-Майл-Айленд. В последнем случае оператор взял на себя управление системой безопасности, в результате события развивались по сценарию, напоминающему неудачный эксперимент в Чернобыле.

Похожие причины лежат в основе аварии на АЭС Фукусима-1, которая произошла в 2011 году в Японии. Об этом говорится в отчёте Национального парламента Японии. Низкий уровень культуры безопасности и широкое распространение коррупции, доходящей до высших правительственных кругов, привело к тому, что системы безопасности электростанции не поддерживались в актуальном состоянии. АЭС не вполне соответствовала стандартам устойчивости к землетрясениям. Она не была модернизирована в соответствии с рекомендациями американской регулирующей организации.
Разлив смеси угольной золы и воды из отстойника (угольная электростанция в Кингстоне, аэрофотоснимок)

Но, даже учитывая вышесказанное, происшествия на атомных электростанциях чрезвычайно редки, благодаря чему атомная энергетика входит в число самых безопасных форм генерирования электроэнергии (с учётом количества выработанной энергии). Пожалуй, даже большее беспокойство, чем отдельные инциденты, вызывает то, что низкая культура безопасности характерна не только для атомной промышленности. Похожая ситуация наблюдается и во многих других сферах, о чём красноречиво говорят авария в Бхопале и другие крупные техногенные катастрофы. В США за расследование происшествий в сфере химической промышленности отвечает Совет по химической безопасности и расследованию угроз (Chemical Safety and Hazard Investigation Board, CSB).

CSB занимается, помимо подготовки официальных отчётов, съёмкой документальных фильмов, которые можно найти на его YouTube-канале. Авторы этих материалов стремятся донести до сознания читателей и зрителей тот факт, что культура безопасности это не что-то такое, что можно принимать как данность, или что-то такое, на что можно вообще не обращать внимания, не опасаясь каких-либо проблем. В США, несмотря на то, что режим там вовсе не тоталитарный, почему-то регулярно происходят промышленные катастрофы, которые убивают и калечат сотни человек.

Из отчётов CSB можно сделать вывод о том, что, хотя радиоактивные материалы и могут выглядеть довольно-таки страшными, не стоит недооценивать опасность чего-то, на первый взгляд, совершенно невинного, вроде древесных опилок или муки. И если хотя бы допускать существование опасных ситуаций это уже будет первым шагом к тому, что кто-то сможет назвать худшим рабочим днём в своей жизни. У этого правила нет исключений.

В безопасности нет такого понятия, как Я


Никому не хотелось бы быть тем самым членом команды, которому приходится указывать другим на очевидные огрехи в безопасности, связанные с конструкцией каких-то устройств или с выполнением каких-то процедур. И, точно так же, никого не прельстит перспектива быть стукачом, который закладывает своих коллег, нарушающих правила техники безопасности. Но, в то же время, один человек не в состоянии склонить целую компанию или страну к совершенствованию процедур обеспечения безопасности.

Для того чтобы создавать и внедрять правила безопасности, для того, чтобы им следовать, не нужно прилагать непомерных усилий. Но, если безопасности уделяется мало внимания, значит возникновение очередной катастрофы, которую легко можно было бы предотвратить, это лишь вопрос времени, в чём бы такая катастрофа ни выражалась. Правила безопасности нельзя назвать чем-то невероятно привлекательным или вызывающим всеобщее восхищение. Но часто они представляют собой именно ту границу, которая отделяет скучный рабочий день от дня, в который завод сравняло с землёй взрывом, унёсшим множество жизней, или от дня аварии, в результате которой смесь угольной золы с водой превратила всё вокруг в пустыню.

Мы должны помнить не только о Чернобыле, но и о Бхопале, и о других подобных катастрофах, которые забрали уже очень много жизней и продолжат их забирать до тех пор, пока мы, как общество, не сделаем культуру безопасности частью повседневной жизни в каждом уголке Земли.

Как вы оцениваете уровень культуры безопасности, сложившийся в той сфере, в которой вы работаете?


Подробнее..

Квантовый процессор Google осознает себя? Почему квантмех и свобода воли (не) связаны, и почему это неочевидно

31.05.2021 18:12:13 | Автор: admin

Недавно вышел препринт с забавным названием Есть ли у роботов с квантовым процессором свобода ослушаться?. Идея статьи в том, что квантовый процессор возможно, достаточно сложная система, чтобы внутри нее возникло сознание, обладающее свободой воли (да, звучит как научная фантастика).

Обычно про связь квантовой физики и сознания пишут всякие псевдоученые, и основным посылом там является что-то типа мышление формирует реальность, что следует просто из неправильной интерпретации проблемы измерения. В общем, я бы проигнорировала эту статью, если бы одним из авторов не был основатель квантовой лабы Google, и если бы статья не была про, собственно, квантовый процессор Google.

К тому же, несмотря на то, что мне кажется, что квантовая механика не имеет отношения к свободе воли, я думаю, что следует искать аргументы против своей позиции. Это важно, чтобы иметь возможность поменять свое мнение в случае, если я неправа. Поэтому я решила разобраться подробнее, что же имеется в виду в этой статье.

Дисклеймер: Я считаю, что информация о том, есть ли у нас свобода воли, практически не должна влиять на наши действия. Мне интересен вопрос о свободе воли просто из любопытства, без практической ценности

Как квантовая механика связана со свободой воли?

Обычно под свободой воли подразумевается возможность сделать выбор независимо от обстоятельств. Другими словами, это значит, что в одних и тех же обстоятельствах можно принять разные решения. В этой статье я буду использовать именно такое определение (существуют и менее мейнстримные определения, такие как компатибилизм, но я не буду их затрагивать). С точки зрения внешнего наблюдателя такая свобода воли означает, что, зная все внешние условия, невозможно предсказать, как будет вести себя субъект.

Что это значит с практической точки зрения?

В качестве небольшого отступления рассмотрим практическую сторону вопроса: есть ли у такой свободы воли какие-то проявления во внешнем мире? Оказывается, что наличие свободы воли запрещает возможность копирования сознания на любой физический носитель. Ведь если мы сделали копию сознания, то (по определению) эта копия принимает точно те же решения, что и оригинал. Значит, с помощью такой копии мы можем предсказать, как будет вести себя оригинальное сознание во всех ситуациях. А это противоречит определению свободы воли.

Естественно, невозможность предсказания поведения не достаточное условие наличия свободы воли. Легко представить себе ситуацию, когда нельзя предсказать поведение системы, но свободой воли она не обладает. Например, вряд ли свободой воли обладают электроны, точную координату которых мы не можем измерить из-за принципа неопределенности Гейзенберга. Но точно верно обратное - если система обладает свободой воли, то мы не можем предсказать ее поведение, то есть это является необходимым условием.

В классической физике это условие не выполняется никогда все ее законы детерминистичны это значит, что из начальных условий системы можно предсказать ее состояние в любой следующий момент времени. Поэтому свободу воли часто пытаются связать с квантовой механикой - единственной на данный момент физической теорией, которая может быть недетерминистичной. Подробнее про квантовую механику и детерминизм у меня есть отдельная статья.

Предыдущие попытки связать квантмех с сознанием

Итак, если у кого-либо во вселенной и есть свобода воли, то она не может быть вызвана никакими другими известными законами физики, кроме квантовой механики. В другую сторону это не работает: из квантовой механики автоматически не следует наличие свободы воли. Теперь возникает следующий вопрос: может ли квантовая механика обеспечивать свободу воли?

Вероятно, обычной квантовомеханической неопределенности здесь недостаточно: даже если квантмех действительно недетерминистическая теория и состояние системы в некоторые моменты времени является случайным и не зависит от предыстории, то, если в наших решениях как-то задействована квантовая механика, она лишь должна добавлять случайности в наши выборы. Способность делать выбор самостоятельно отсюда никак не следует.

Может быть, можно связать со свободой воли не принцип неопределенности, а коллапс волновой функции? Коллапс в квантовой механике тесно связан с проблемой измерения. Он используется для объяснения, как из состояния суперпозиции (из которого нельзя предсказать результат измерения, но можно вероятности различных результатов) получается наблюдаемое измеренное состояние. Процесс, когда суперпозиция ломается вследствие измерения, называется коллапсом. У научного сообщества нет единого мнения о том, в какой именно момент происходит этот коллапс, как его описывать, и происходит ли он вообще, что открывает пространство для спекуляций.

Например, сознание и коллапс волновой функции пытался связать Пенроуз. Он считает, что в мозге возможны квантовые вычисления и что коллапс обеспечивается сознанием. Сейчас эти идеи не воспринимаются всерьез большинством ученых, т.к. содержат много неоправданных допущений, противоречат существующим нейробиологическим теориям и, более того, частично опровергаются экспериментом. Кроме того, идея о том, что коллапс невозможен без участия осознающих субъектов, приводит к абсурдному выводу (цитирую Скотта Ааронсона):

Квантовое состояние вселенной менялось во времени линейно, в соответствии с уравнением Шредингера, в течение миллиардов лет, пока не появились первые наблюдатели (люди? обезьяны? пришельцы?) и посмотрели вокруг и в этот момент состояние взяло и внезапно сколлапсировало!

Таким образом, найти понятные и логичные способы связать квантовую механику со свободой воли не так-то легко.

Квантовый процессор и Найтовская неопределенность

Но вернемся к нашему квантовому процессору. Как все же авторы статьи делают вывод, что в нем возможна свобода воли?

Центральным понятием их препринта является Найтовская неопределенность (Knightian uncertainty) я подробнее писала про нее в отдельной статье. Идею коротко можно сформулировать так: есть квантовые системы, состояние которых мы принципиально не можем измерить, и поведение которых не можем предсказать, даже в терминах вероятностей это и называется Найтовской неопределенностью. Из ее наличия делается вывод о том, что система может обладать свободой воли (важно подчеркнуть, что авторы не утверждают, что свобода воли в этом случае точно существует, а лишь говорят о том, что это возможно). Как именно делается такой вывод разберемся в следующем разделе, а пока просто попробуем понять, откуда она берется в квантовом процессоре.

Дело в том, что Google уже умеет делать системы, в которых около 100 кубитов (т.е. элементарных вычислительных ячеек в данном случае особых систем из сверхпроводников). Такая система является достаточно большой, чтобы у нас не хватило всей памяти на Земле для того, чтобы записать ее состояние. А если мы не можем его записать, то и предсказать результаты измерений мы тоже не можем.

Рассмотрим подробнее, как так получается. Если мы привели процессор в некоторое состояние, которое определяется квантовыми флуктуациями, то, чтобы его измерить, нужно записать волновую функцию системы из 100 связанных кубитов, которая описывается 2100 комплексными числами. Чтобы записать эти числа с точностью хотя бы 2 знаков после запятой, на каждое число понадобится около 20 бит. Тогда для записи всех этих чисел понадобится примерно 3*109 Зеттабайт. Это примерно в 47 миллионов раз больше, чем все данные, сгенерированные на планете Земля в 2020 году. А если кубитов будет уже не 100, а 300, и мы будем считать, что способны записать одно комплексное число в любой атом, то атомов во вселенной не хватит, чтобы записать состояние такой системы.

Найтовская неопределенность и свобода воли

Итак, резюмируем промежуточные выводы: для свободы воли необходима квантовая механика, но неясно, как квантовая механика может обеспечивать свободу воли. Google утверждает, что их процессор может обладать свободой воли из-за Найтовской неопределенности, но не объясняет, как именно свобода из этой неопределенности следует. Соответственно, возникает вопрос: как одно следует из другого?

Более того, если свобода воли следует из Найтовской неопределенности, то мы должны наблюдать что-то похожее на нее и в нашем мозге. Ведь изначально свобода воли у нас ассоциируется именно со способностью людей принимать решения. Если в нашем мозге нет никакой Найтовской неопределенности, то свобода воли квантового процессора вряд ли имеет что-то общее с тем, что мы обычно называем этим понятием.

Оказывается, есть большая статья на эту тему. Ее автор, Скотт Ааронсон, считает, что Найтовская неопределенность в мозге физически возможна, и рассуждает на тему того, как она может приводить к свободе воли. Он считает (в некотором смысле, постулирует), что для свободы воли необходимо отсутствие возможности предсказывать поведение субъекта даже вероятностно.

Важно отметить, что он не утверждает, что все его рассуждения действительно верны, а лишь рассматривает, как свобода воли могла бы быть устроена. Его аргументы местами выглядят фантастически, и первым делом хочется с ними не согласиться. Но, если вдуматься, они действительно являются корректными в том смысле, что не противоречат известным физическим законам. Я коротко приведу здесь цепочку рассуждений Скотта Ааронсона:

  • Где в природе может возникать Найтовская неопределенность?

Ею может обладать волновая функция вселенной в момент большого взрыва. Дело в том, что если у нас есть только одна копия системы, то в принципе невозможно измерить все ее параметры, потому что измерения разрушат исходное состояние. Для измерения всех параметров волновой функции необходимо измерить систему много раз, а для этого нужно уметь создавать ее копии (и физики успешно делают это, например, с фотонами). Очевидно, что копии волновой функции в момент большой взырва мы создавать не умеем. Поэтому, даже если окажется, что это простая функция с небольшим числом параметров, у нас нет возможности узнать, чему равны их значения. Отсюда следует Найтовская неопределенность.

  • На что Найтовская неопределенность, обусловленная начальной волновой функцией вселенной, может влиять прямо сейчас?

Мы до сих пор наблюдаем реликтовое излучение это фотоны, излучившиеся вследствие процессов, последовавших за большим взрывом. Эти фотоны легко задетектировать. Если у вселенной была начальная волновая функция, то она вполне могла повлиять на распределение фотонов реликтового излучения.

  • Как это связано с мозгом?

Некоторые процессы в мозге чувствительны к небольшим изменениям окружающих условий. В частности, такой чувствительностью обладают натриевые каналы, открытие и закрытие которых отвечает за то, активируется ни нейрон. В том числе натриевые каналы могут быть чувствительны к квантовым флуктуациям. Например, это может происходить так: фотон (играющий роль квантовой флуктуации) попадает в мозг, где поглощается электроном, немного меняющим траектории нескольких молекул около натриевого канала, что запускает цепь событий, заставляющую канал открыться, что в свою очередь ведет к активации нейрона. Источником такого фотона может быть что угодно, в том числе реликтовое излучение.

Рассмотрим подробнее, что из этого следует. Допустим, мы каким-то образом узнали волновую функцию начала вселенной и получили способность ее менять. Пусть при этом мы хотим изменить одно конкретное решение конкретного человека, причем так, чтобы ничего кроме этого не изменилось. Какие изменения нам следует сделать в начальной волновой функции для достижения этой цели? Исходя из наших предыдущих рассуждений, оказывается, может быть достаточным изменить энергию одного фотона реликтового излучения такого, который затем попадет прямо в мозг.

  • Как отсюда следует свобода воли?

Все фундаментальные законы физики (например, квантовая механика и общая теория относительности) обратимы относительно времени. Эта фраза означает следующее: если мы любой физический процесс снимем на видео и прокрутим его задом наперед, то такой процесс также будет описываться известными физическими законами. Например, если посмотреть на поглощения фотона задом-наперед, то получится испускание фотона.

Про обратимость квантовой механики во времени

Можно возразить, что квантовая механика не обратима относительно времени, потому что процесс измерения связан с коллапсом волновой функции и необратим. На это можно ответить следующим образом: в современной картине мира измерение связано с процессом декогеренции, которая описывается обратимым во времени уравнением Шредингера (если измеряемую систему расширить до система + измерительный прибор).

Из этого следует, нет причин (кроме наших субъективных ощущений) считать, что время течет из прошлого в будущее, а не наоборот. Такую картину мира философы называют блок-вселенной (Block Universe) в ней вселенную можно представить как 4-мерное пространственно-временное многообразие, замерзшее во времени. Тогда причинно-следственные связи приобретают другое значение. Теперь предложение Я съел яблоко, потому что к этому привело предыдущее микросостояние вселенной имеет столько же смысла, как Я съел яблоко, потому что захотел. Более того, фраза Я съел яблоко, потому что к этому привело будущее микросостояние вселенной также имеет смысл!

Другими словами, ничего не мешает нам направить причинно-следственные связи в другую сторону (например, от нашего текущего психологического состояния к состоянию вселенной в момент большого взрыва), и это все еще не будет противоречить законам физики. Значит, мы можем сказать, что наш мозг поглотил фотон реликтового излучения минуту назад, потому что сейчас мы решили съесть яблоко.

Такие рассуждения могут показаться странными (особенно тем, кто знаком с термодинамикой), потому что мы привыкли к тому, что время течет (и причинно-следственные связи направлены) в ту сторону, в которую возрастает энтропия. Например, нам легко понять, что видео с разбивающимся кувшином воспроизводится в правильную сторону, а видео с кувшином, собирающимся из осколков в обратную. В этом примере первый процесс сопровождается возрастанием энтропии, а второй убыванием. Но стоит заметить, что понятие энтропии тесно связано с понятием вероятностей. На самом деле процесс, где кувшин собирается из осколков, также возможен, просто сильно менее вероятен, ведь есть много способов разбить кувшин, а вот собрать его из осколков только один. То есть, возрастание энтропии это некоторое эмерджентное свойство, не следующее напрямую из фундаментальных законов природы, которые сами по себе остаются обратимыми во времени.

В любом случае, даже если принять, что время объективно течет вперед для процессов с возрастающей энтропией, ничего не мешает нам направить причинно-следственные связи в другую сторону для тех процессов, в которых энтропия не возрастает а такие в природе тоже есть. Фотон реликтового излучения, излученный при большом взрыве и направляющийся к нам, как раз является таким процессом.

Таким образом, цепочка размышлений Скотта Ааронсона выглядит так. Можно предположить, что при принятии решения мы испускаем мозгом фотон реликтового излучения назад во времени, и наше решение сделать это нельзя предсказать никаким образом, т.к. наличие такого фотона обеспечивается волновой функцией вселенной в момент большого взрыва, а узнать, что это за состояние, мы никак не можем.

Почему все вряд ли так работает

Я надеюсь, что читатели получили удовольствие от попыток представить, как мы принимаем решения, испуская фотоны в прошлое (по крайней мере мне очень нравится осмысливать такие мозговыносящие гипотезы). Но теперь вернемся в реальность и подумаем, почему все скорее всего так не работает.

Для начала заметим, что в этой логической цепочке очень много неоправданных допущений. Вот только некоторые из них:

  1. Начальное состояние вселенной можно описать волновой функцией. На самом деле это утверждение не следует из современной космологии. Оно может быть как верным, так и неверным.

  2. Квантовые флуктуации играют значимую роль в активации нейронов. Хоть это утверждение и не противоречит современным представлениям, опять же никто не доказал, что это правда так.

  3. Активации одного нейрона достаточно, чтобы принять решение. Многие современные нейробиологические модели рассматривают кодирование информации в кластерах нейронов. Не факт, что случайная активация одного нейрона может на что-то повлиять.

  4. Все события, которые мы ассоциируем со свободой воли, связаны с поглощением фотона реликтового излучения. Опять же, нет никаких оснований считать, что это так работает.

Естественно, это не полный список вопросов, которые возникают к гипотезе о связи Найтовской неопределенности и свободы воли. Стоит отметить, что на многие возражения, которые могут прийти в голову, автор уже ответил в оригинальной статье. Но если вспомнить, что автор не утверждает, что все действительно устроено именно так, а просто стремится показать, что наличие свободы воли физически возможно, то представленные в статье аргументы мне кажутся достаточно сильными. Действительно все, что в ней написано, не противоречит законам физики. Более того, многие утверждения автора фальсифицируемы (т.е. потенциально проверяемы экспериментом) например, утверждение о том, что квантовые флуктуации влияют на активацию нейронов.

Заключение

Если мы придерживаемся научной картины мира, для объяснения явлений следует выбирать наиболее простые теории это называется Бритвой Оккама. С моей точки зрения, наиболее простым объяснением является отсутствие связи между Найтовской неопределенностью и свободой воли, и, за неимением других механизмов, обеспечивающих свободу воли, и отсутствие свободы воли.

Следовательно, раз Найтовская неопределенность скорее всего не имеет отношения к свободе воли, то и квантовый процессор Google ей скорее всего не обладает. Значит, пока можно не бояться восстания машин в лице 100-кубитного процессора.

Несмотря на то, что я не согласна с авторами статей, которые разобрала, я получила искреннее удовольствие в процессе: мне нравятся моменты, когда я могу немного переосмыслить свою картину мира. Надеюсь, что вы тоже получили такое удовольствие в процессе чтения этого текста.

Подробнее..

Радиация детекторы. Как подружить сцинтиллятор и SiPM

06.06.2021 20:07:08 | Автор: admin

Все началось с того, что коллега на работе попросил мне помочь запустить сцинтилляционный счетчик для какого-то натурного эксперимента на борту парохода. Принес мне завернутый со всех сторон в фольгу монокристалл BGO -- цилиндрическую шайбу размером 40х15 мм, и кремниевый ФЭУ типа MicroFC 60035, и сказал, что ничего не работает. В том виде, как это было собрано у него, он в принципе давал импульсы. Но в среднем раз в секунду, что для сцинтилляционного детектора с немаленьким кристаллом как-то совсем слабо. И на поднесение источника в 50 кБк цезия-137 он не реагировал в принципе. Как и вообще на что-то мягче кобальта-60. И с этим надо было что-то сделать.

Итак, начнем.

Выбор материала

Вспомнив опыт со своим сцинтилляционным радиометром, я сразу сказал: BGO здесь едва ли будет работать. Детектор от Atom Fast 8850 начинает надежно "видеть" гамма-кванты от 30 кэВ, а BGO имеет сцинтилляционную эффективность раз в десять хуже. Добавим сюда упавшую в разы эффективность светосбора из-за больших поперечных размеров шайбы по отношению к детектору, огромный показатель преломления BGO и конструкцию детектора, сделанную на тяп-ляп, вот и получаем порог в районе 0,5-0,6 МэВ. Его можно снизить до 150-200 кэВ при должном старании, но не более. Ищи, говорю, цезий-йод. Тем временем разобрал конструкцию, оттер SiPM от вазелинового масла, припаял поаккуратнее проводочки из МГТФа к его контактным площадкам и убрал его в надежное место...

И подходящий кристалл CsI(Tl) нашелся, причем очень удачной для SiPM геометрии. "Палочка" диаметром 20 мм и длиной 80 мм во вполне стандартном алюминиевом корпусе с окном. Тип СДН.25.20.80, "Для регистрации". Правда, нашелся он на "Авито", у широко известного в узких кругах украинского продавца. И вот прошло десять дней и сцинтиллятор уже лежал на моем столе. Кристалл, надо сказать, большого доверия не внушал: внутри имелась прослойка включений в виде нескольких черных точек и легкой вуали, окно немного отстало от кристалла по краям. Но по крайней мере, целый, не мутный, не желтый, да и другого все равно нет. Будем работать с ним.

Тут нужно пояснение, почему именно CsI(Tl), а не его "старший брат" NaI(Tl). Дело в том, что последний очень чувствителен к перепадам температуры и даже слабым ударам, приводящим к растрескиванию. CsI -- материал, обладающий определенной степенью пластичности и при небольших механических нагрузках не трескается, а деформируется. Также CsI(Tl) позволяет себя "раздеть" и переупаковать без сухой камеры с инертной атмосферой, тогда как NaI(Tl) настолько гигроскопичен, что покрывается росой и начинает расплываться уже через пару минут нахождения на воздухе. В нашем случае необходимости в переупаковке не было -- корпус детектора был вполне исправен и герметичен, а ручаться за герметичность самодельного контейнера я б не стал.

Первая проба

Для начала решил на скорую руку приложить к кристаллу SiPM даже без всякой оптической смазки между ним и окном -- чтобы не пачкать лишний раз. Заклеил алюминиевым скотчем и черной изолентой от внешней засветки, подключил к лабораторному БП через нагрузочное сопротивление 2,2 кОм, подключил к нему щуп осциллографа... Мнда, негусто. Конечно, небо и земля по сравнению с BGO, но сигнал от Am-241 (59 кэВ) -- около 8-10 мВ при 29,5 В. При этом засинхронизироваться от этих импульсов очень трудно: шумовые импульсы, обусловленные темновыми фотоэлектронами, лишь немного меньше полезного сигнала.

Ну что ж, для начала попробуем сделать, как положено. Заодно оценим, насколько нужны те или иные ухищрения.

Соединяем Si-ФЭУ и сцинтиллятор грамотно

Тут надо начать с того, что сам кремниевый ФЭУ -- крохотный по сравнению с его вакуумным аналогом. Размеры его входного окна -- всего 6х6 мм. И даже наш невеликий кристалл имеет площадь выходного окна в 8,7 раза больше. Обычно ФЭУ подбирают с диаметром фотокатода, совпадающим или почти совпадающим с диаметром сцинтиллятора, именно в таком случае светосбор наиболее эффективен и, что особенно важно для гамма-спектрометрии, не зависит от расположения источника света (вспышки сцинтилляции) в пространстве. В нашем же случае пришлось бы поставить мозаику как минимум из четырех кремниевых ФЭУ, что в бюджет не влезало с учетом того, что уже пришлось купить кристалл (да -- нам, ученым, иногда приходится покупать кое-что для работы из своего кармана). Спектрометрия нам тоже не требовалась, и оставалось надеяться на то, что собранного света окажется достаточно.

Как мы можем оптимизировать светосбор в нашем случае? Если не распаковывать кристалл, у нас возможностей немного. И мы ими воспользуемся.

Какие это возможности? Во-первых, мы должны устранить воздушную прослойку между кристаллом и ФЭУ. Как вы думаете, сколько излучения теряется при ее наличии? Казалось бы, немного. Коэффициент отражения на границе стекло-воздух равно ~ 4%, и можно ожидать, что потеряем мы лишь 8% света. Но это было бы верно, если бы все излучение падало бы на фотокатод перпендикулярно. Но это не так: из сцинтиллятора свет выходит под всеми углами. И при наличии прослойки часть света просто не покидает кристалл из-за полного внутреннего отражения, а излучение внутри "конуса выхода" тоже частично отражается внутрь кристалла, и чем больше угол, тем сильнее.

Для устранения воздушной прослойки кристалл и фотоприемник соединяют с помощью прозрачной оптической смазки или клея, показатель преломления которой максимально близок к показателям преломления окон кристалла и ФЭУ. В качестве смазки можно использовать прозрачное вазелиновое или силиконовое масло, винилин. Существуют также специальные оптические контактные смазки наподобие тех, что производят компании Alpha Spectra Inc и Saint Gobain (BC-631). Для приклейки применимы прозрачные силиконовые и эпоксидные компаунды. С успехом можно использовать OCA -- листовой оптический клей вроде двустороннего скотча, предназначенный для приклейки сенсора к дисплеям смартфонов. Этот материал продается во всех магазинах запчастей для их ремонта и стоит несколько десятков рублей за кусок, вырезанный по форме дисплея.

Второе, что нужно сделать -- это закрыть все пути утечки света из кристалла. И худшее, что здесь можно сделать -- это поддаться соблазну решить все по-простому и заклеить окно алюминиевым скотчем.

Дело в том, что голый алюминий отражает только 85-88% света. Отражательная способность алюминиевого скотча со стороны клея -- еще ниже, не более 60-70%. Учитывая то, что свет будет несколько раз переотражаться туда-сюда внутри кристалла, пока не попадет на фотоприемник, это очень плохие цифры. Существует ряд материалов с очень высоким коэффициентом диффузного отражения, превышающим 95% -- многослойные пластиковые пленки, синтетическая бумага Tyvek и др. Тем не менее, наиболее доступным и весьма эффективным отражателем является обыкновенная сантехническая ФУМ-лента белого цвета в несколько (4-6) слоев , покрытая сверху алюминиевой фольгой, что дает коэффициент отражения примерно 95%. SensL рекомендует [1] для изготовления сцинтилляционных детекторов на основе SiPM именно ее. "Культурный" аналог производства Saint Gobain Crystals называется BC-642Teflon Tape.

Кто сказал "фокон"?

Фокон -- это сокращение от "фокусирующего конуса". Идея в том, что свет падает на конический или параболический рефлектор, концентрирующий свет с большой входной площадки на маленькую выходную. И такое решение действительно часто применяют в сцинтилляционных детекторах, чтобы сопрячь кристалл с ФЭУ меньшего диаметра. Но работает это решение весьма спорно.

Дело в том, что чем больше отношение входной площади фокона к выходной, тем уже конус, из которого фокон собирает свет. Свет, падающий под углом больше критического, отражается обратно. А сцинтиллятор светит во все стороны, и ограничивая угол сбора света, мы теряем его часть, так что обмануть природу не получится. В статье [2] показано, что фоконное сопряжение не дает ничего ни для эффективности светосбора, ни для спектрального разрешения при аналогичном нашему соотношении размеров кристалла и сборки из SiPM (кристалл диаметром 2" и сборка 2х2 из MicroFC 60035).

Сборка детектора

Поскольку наш кристалл находится в стандартном контейнере с кварцевым окном в торце, нам не нужно заботиться о светоотражающем покрытии всего кристалла. Им нужно закрыть его торец, оставив в покрытии квадратное окошко по размерам SiPM, то есть 7х7 мм. Всю остальную площадь окна нужно закрыть полосками ФУМ-ленты в 5-6 слоев. Затем из алюминиевого скотча вырезать круг диаметром около 50 мм, в его центре прорезать макетным ножом такое же квадратное отверстие и наклеить его поверх ФУМ-ленты, чтобы отверстия совпали. Теперь аккуратно заворачиваем его края на цилиндрическую поверхность корпуса, максимально тщательно разглаживая и разравнивая складки, через которые может проникать свет.

В свободный от ФУМ-ленты и фольги квадратик вклеиваем SiPM с помощью квадратика, вырезанного под его размер из OCA-пленки. Сверху на него наклеиваем кусочек каптоновой пленки, чтобы не замкнуть выводы кремниевого ФЭУ фольгой, а затем заклеиваем сверху кружком из алюминиевого скотча для защиты попадания света, пропустив провода от SiPM вдоль цилиндрической поверхности кристалла и оборачиваем боковую поверхность полосой алюминиевого скотча, спрятав под ней некрасивые и могущие пропустить свет складки. Правда, первое включение показало, что этого недостаточно и детектор нормально работает только если прикрыть его от света. Поэтому я закрыл конструкцию еще одним слоем самоклеящейся фольги и пропустил провода под ним в виде петли. В окончательном варианте детектор выглядит вот так.

Результат не заставил себя ждать: амплитуда сигнала от америция возросла более чем вдвое, достигая 20 мВ, что позволяет его уверенно выделять на фоне темнового шума. Вот сколько можно потерять света только из-за того, что пара квадратных сантиметров вокруг сиФЭУ закрыта неидеальным отражателем, и из-за зазора между ним и сцинтиллятором, заполненного воздухом.

Импульсы от америция с детектора, сделанного абы как (слева) и после доработки (справа)Импульсы от америция с детектора, сделанного абы как (слева) и после доработки (справа)

Показательным является то, что уровень сигнала не меняется заметно при перемещении америциевого источника вдоль кристалла. Это говорит о том, что даже при столь субоптимальном сопряжении кристалла и фэу светосбор остается относительно равномерным.

Ссылки

  1. https://www.onsemi.com/pub/Collateral/AND9774-D.PDF

  2. Kim J., Park K., Hwang J. et al. Efficient design of a 22 inch NaI(Tl) scintillation detector coupled with a SiPM in an aquatic environment. // Nuclear Engineering and Technology. 2019. V. 51. 4. P. 1091-1097.

  3. Lavelle C.M., Shanks W., Chiang C. Approaches for single channel large area silicon photomultiplier array readout // AIP Advances. 2019. 9. 035123.

Подробнее..

Перевод Новая математика чёрных дыр ещё один шаг вперед

24.05.2021 18:21:26 | Автор: admin

Математическая модель столкновения чёрных дыр работает даже в тех случаях, когда, по идее, работать не должна. Пока астрономы используют эту модель для поиска новых классов скрытых чёрных дыр, другие задаются вопросом: почему же всё-таки эта модель работает? Если рассматривать отдельную чёрную дыру как единую точку без горизонта событий, проявляются невидимые ранее столкновения чёрных дыр.


В прошлом году Скотт Филд и Гаурав Ханна попробовали создать то, что не должно было работать. То, что они сделали, действительно работает на удивление хорошо, и это вызывает ряд вопросов у научного сообщества.

Филд и Ханна исследователи, пытающиеся понять, как должны выглядеть столкновения чёрных дыр. Эти бурные события порождают не вспышки света, а слабые колебания гравитационных волн дрожь пространственно-временного континуума. Наблюдение за чёрными дырами не такая простая вещь, как может показаться. Просто сидеть и ждать, когда пространство, как колокол, зазвонит, не получится. Чтобы обнаружить такие сигналы, исследователи должны постоянно сравнивать данные с детекторов гравитационных волн с результатами различных математических моделей расчётов, выявляющих потенциальные признаки столкновения чёрных дыр. Без надёжных моделей астрономы не знали бы, что и где искать.

Проблема заключается в том, что наиболее достоверные модели построены на базе принципов общей теории относительности Эйнштейна, описываемой десятью взаимосвязанными уравнениями, которые, как известно, решить необычайно трудно. Чтобы наблюдать и фиксировать сложные взаимодействия между сталкивающимися чёрными дырами, одного набора письменных принадлежностей недостаточно. Первые так называемые численные методы решения уравнений общей теории относительности Эйнштейна для случая столкновения чёрных дыр были получены только в 2005 году через несколько десятилетий безуспешных попыток. Для этого потребовался суперкомпьютер, работающий без перерыва в течение двух месяцев.

Обсерватория гравитационных волн, подобная LIGO, должна иметь в распоряжении большое количество численных решений, на которые можно опираться. В идеальном мире физики могли бы просто запустить модель для всех возможных вариантов столкновения чёрная дыра с определёнными массой и спином сталкивается с другой с другой чёрной дырой со своими массой и спином и сравнить эти результаты с тем, что видит детектор. Но расчёты занимают уйму времени. Дайте мне достаточно мощный компьютер и достаточное количество времени, и я смогу смоделировать для вас всё что угодно, утверждает Скотт Хьюз, физик из Массачусетского технологического института. Но на практике "достаточным" количеством времени оказывается совершенно невообразимое время недели или даже месяцы вычислений на суперкомпьютере. А если чёрные дыры имеют сложные формы? Вычисления займут такое колоссальное количество времени, что учёные просто опускают руки и объявляют такую задачу практически невыполнимой. Именно по этой причине физики фактически не в состоянии смоделировать столкновения чёрных дыр с соотношением масс более 10 к 1.

В новой работе Филда и Ханны утверждается, что это не так, и именно поэтому эта работа так интересна. Филд, математик из Массачусетского университета в г. Дартмуте, и Ханна, физик из Университета Род-Айленда, сделали допущение, кардинально упрощающее вычислительную задачу: они рассматривают меньшую по размерам чёрную дыру как "частицу пренебрежимо малых размеров ", нечто вроде пылинки. Это объект, имеющий массу, но нулевого радиуса и без горизонта событий.

Скотт Филд (слева) и Гаурав Ханна не ожидали, что их допущение будет работать для чёрных дыр с сопоставимыми массамиСкотт Филд (слева) и Гаурав Ханна не ожидали, что их допущение будет работать для чёрных дыр с сопоставимыми массами

"Представьте себе два судна в океанских просторах: одно вёсельная лодка, другое круизный лайнер, объясняет Филд. Очевидно, что вёсельная лодка не в состоянии повлиять на траекторию круизного лайнера. Мы предполагаем, что маленькое судно вёсельная лодка в этом взаимодействии может быть полностью проигнорировано".

Учёные полагали, что модель будет нормально работать, если соотношение масс большей и меньшей чёрных дыр будет такого же порядка, что и соотношение масс вёсельной лодки и круизного лайнера. "Если соотношение масс будет порядка 10000 к 1, мы совершенно спокойно можем сделать такое допущение", утверждает Ханна.

Однако в исследовании, опубликованном в прошлом году, Филд, аспирант Нур Рифат и физик из Корнелла Виджай Варма решили проверить эту модель для соотношения масс вплоть до 3 к 1. Числитель этого соотношения настолько мал, что никто и никогда даже не брался моделировать такие случаи, так как все считали эту вычислительную задачу безнадёжной с точки зрения временных затрат. Но исследователи с удивлением выяснили, что даже при таком соотношении их модель согласуется с результатами, полученными при решении полного набора уравнений Эйнштейна, с точностью примерно до 1 % это поразительный уровень точности.

Я тогда обратил внимание на эту работу, вспоминает Хьюз. Результаты, полученные для отношения масс 3 к 1, были "просто невероятными".

"Получен важный результат", говорит Нильс Варбуртон, физик из Университетского колледжа Дублина, не принимавший участия в исследовании.

Убедительная работа модели Филда и Ханны при соотношении масс 3 к 1 даёт исследователям гораздо больше уверенности в правильности её работы для соотношений масс 10 к 1 и выше. Есть надежда, что эта или подобная ей модель сможет сделать то, что не могут сделать численные методы решения уравнений Эйнштейна, а это позволит исследователям приступить к более глубокому изучению той части Вселенной, которая до сих пор оставалась "чёрным ящиком".

Как найти чёрную дыру

После столкновения чёрных дыр эти массивные тела создают возмущения, искажающие пространственно-временной континуум, гравитационные волны, распространяющиеся по Вселенной. Некоторые из таких гравитационных волн, в принципе, могут достигать Земли, и тогда их можно будет уловить в обсерваториях LIGO и Virgo. Огромные L-образные детекторы могут улавливать невообразимо малые (на четыре порядка меньше, чем ширина протона!) растяжения или сжатия пространственно-временного континуума, создаваемые такими волнами.

Детектор LIGO в г. Хэнфорде, штат Вашингтон, имеет две длинные стрелы, расположенные под прямым углом. Лазеры внутри каждой стрелы измеряют относительную разницу длин каждой из стрел при прохождении гравитационной волныДетектор LIGO в г. Хэнфорде, штат Вашингтон, имеет две длинные стрелы, расположенные под прямым углом. Лазеры внутри каждой стрелы измеряют относительную разницу длин каждой из стрел при прохождении гравитационной волны

Разработчики этих обсерваторий приложили огромные усилия для подавления паразитных шумов, но, если сигнал, который собираешься уловить, чрезвычайно слаб, от шума избавиться очень и очень не просто.

Первая задача при обнаружении гравитационных волн попытаться выделить из этого шума слабый сигнал. Филд сравнивает этот процесс с "ездой на автомобиле с неисправным глушителем и сплошными помехами при прослушивании радио, и при этом вы надеетесь в этом адски шумном окружении поймать на волне какую-то мелодию".

Астрономы принимают входящий поток данных и сначала задают себе вопрос, согласуются ли какие-либо из этих данных с ранее смоделированной формой гравитационной волны. Они могут проводить предварительное сравнение с десятками тысяч сигналов, хранящихся в "банке шаблонов". Но точные характеристики чёрной дыры на основе этой процедуры определить нельзя. На этом этапе исследователи просто пытаются выяснить, "звучит ли по радио какая-то песня".

Следующий шаг, по аналогии, это определение названия песни, её исполнителя и играющих инструментов. Исследователи провели десятки миллионов моделирований, чтобы можно было сравнивать наблюдаемый сигнал, или форму волны, с сигналами, производимыми чёрными дырами с различными массой и спином. Именно на этом этапе исследователи могут узнать действительно важные сведения. Частота гравитационной волны свидетельствует об общей массе системы. То, как эта частота меняется со временем, позволяет определить соотношение масс, а значит, и массы отдельных чёрных дыр. По темпу изменения частоты можно судить о том, вращается ли чёрная дыра. Наконец, по амплитуде (или высоте) обнаруженной волны исследователи могут сделать заключение, насколько далеко система находится от Земли.

Гравитационные волны, возникающие вследствие столкновения чёрных дыр, практически одновременно поступают на детекторы LIGO в Вашингтоне (оранжевый) и Луизиане (синий), а также на детектор Virgo в ИталииГравитационные волны, возникающие вследствие столкновения чёрных дыр, практически одновременно поступают на детекторы LIGO в Вашингтоне (оранжевый) и Луизиане (синий), а также на детектор Virgo в Италии

Если нужно выполнить десятки миллионов моделирований, хотелось бы, чтобы каждое такое моделирование выполнялось как можно быстрее. "Чтобы выполнить эту задачу за одни сутки, каждое моделирование должно занимать примерно миллисекунду", рассказывает Рори Смит, астроном из Университета Монаша и участник совместного проекта в LIGO. Однако время, необходимое для прогона всего одного численного метода решения уравнений общей теории относительности (того, который без ошибок смоделирует все уравнения Эйнштейна), измеряется днями, неделями или даже месяцами.

Для ускорения процесса исследователи обычно начинают с анализа результатов полного моделирования на суперкомпьютере таких моделирований к настоящему времени было проведено несколько тысяч. Затем, чтобы интерполировать данные, применяются стратегии машинного обучения. "Заполняются пробелы и создаётся полное пространство возможных результатов моделирования", рассказывает Смит.

Такое "суррогатное моделирование", возможно, и будет нормально работать, но только до тех пор, пока интерполированные данные не отклоняются слишком сильно от результатов базового моделирования. Однако моделировать столкновения объектов с большим соотношением масс невероятно сложно. "Чем больше соотношение масс, тем медленнее развивается система из двух чёрных дыр, поясняет Уорбертон. По его словам, чтобы рассчитать систему с малым отношением масс, необходимо изучить от 20 до 40 орбит. "Для соотношения масс 1000 нужно изучить 1000 орбит, а это займёт слишком много времени порядка нескольких лет. Это делает задачу практически невыполнимой, даже если в вашем распоряжении имеется суперкомпьютер, говорит Филд. Если в этом направлении не будет революционного прорыва, решить задачу в ближайшем будущем не представляется возможным".

По этой причине большинство суррогатных моделей работают с соотношениями масс от 1 до 4 и почти все менее 10. В 2019 году LIGO и Virgo смогли обнаружить столкновение чёрных дыр с соотношением масс 9, и это было колоссальным успехом, так как вся аппаратура работала на пределе чувствительности. Других событий, подобных этому, обнаружено не было, так как, по словам Ханны, у них нет надёжных моделей для суперкомпьютеров для соотношений масс выше 10. Мы не занимались поиском, так как у нас нет шаблонов", говорит Ханна.

Визуализация слияния чёрных дыр с соотношением масс 9,2 к 1. Видео начинается примерно за 10 секунд до столкновения. Слева показан полный спектр гравитационного излучения, окрашенный в соответствии с уровнем сигнала: синий цвет слабый сигнал, оранжевый сильный. Справа показаны различные компоненты гравитационного сигналаВизуализация слияния чёрных дыр с соотношением масс 9,2 к 1. Видео начинается примерно за 10 секунд до столкновения. Слева показан полный спектр гравитационного излучения, окрашенный в соответствии с уровнем сигнала: синий цвет слабый сигнал, оранжевый сильный. Справа показаны различные компоненты гравитационного сигнала

Вот тут-то и приходит на помощь модель, разработанная Филдом и Ханной. Они начали с собственного модельного представления частицы пренебрежимо малых размеров, специально разработанного для работы в диапазоне соотношений масс выше 10. Затем на основе этой модели была обучена суррогатная модель. Данная работа открывает возможности для обнаружения столкновения чёрных дыр разных размеров.

Какие ситуации могут привести к подобным столкновениям? Учёные пока не могут этого сказать, так как эта часть науки о Вселенной изучена пока очень слабо. Вообще говоря, тут может быть несколько вариантов.

Например, чёрная дыра средней массы (скажем, 80 или 100 солнечных масс) может сталкиваться с чёрной дырой меньшего размера (около 5 солнечных масс).

Другой вариант столкновение между обычной звездной чёрной дырой и относительно малой чёрной дырой, оставшейся от Большого взрыва, "первичной" чёрной дырой. Масса таких чёрных дыр может составлять всего 1% от массы Солнца, в то время как подавляющее большинство чёрных дыр, обнаруженных LIGO на сегодня, имеют массу, в 10 раз превышающую солнечную.

Ранее в этом году исследователи из Института гравитационной физики Макса Планка использовали суррогатную модель Филда и Ханны для изучения данных LIGO в поисках признаков гравитационных волн, возникающих в результате слияний чёрных дыр, одна из которых является первичной. Исследователи пока не смогли найти ни одной такой чёрной дыры, однако сумели установить более точные пределы области, в которой могут существовать чёрные дыры такого гипотетического класса.

В настоящее время планируется к запуску космическая гравитационно-волновая обсерватория LISA, которая однажды может стать свидетелем слияния обычных чёрных дыр с их сверхмассивными разновидностями в центрах галактик некоторые из них имеют массу в миллиард и более солнечных масс. Однако перспективы LISA пока туманны проект будет запущен не ранее 2035 года, а ситуация с финансированием до сих пор не ясна. Но, если проект всё-таки будет запущен, мы сможем наблюдать за слияниями чёрных дыр с соотношением масс более 1 миллиона.

Предел прочности

Некоторые специалисты в этой области, в том числе Хьюз, назвали успех модели представления частицы пренебрежимо малых размеров "необоснованным", однако подчеркнули то обстоятельство, что эффективность работы модели при низких соотношениях масс для них настоящая загадка. Почему исследователи, игнорируя важные параметры меньшей чёрной дыры, всё равно приходят к верному ответу?

"Здесь работает какой-то физический закон, говорит Ханна, хотя, какой именно, никому не известно. Нам не нужно брать в расчёт оба объекта, окруженные горизонтами событий, которые могут искажаться и взаимодействовать друг с другом странным образом". Но никто не знает, почему так происходит.

Пока никто не дал ответа на этот вопрос, Филд и Ханна пытаются распространить свою модель на более реалистичные ситуации. В статье, которую планируется опубликовать в начале лета на сервере препринтов arxiv.org, исследователи придают большей чёрной дыре определённое вращение, что больше соответствует реалиям астрофизики. Использованная ими модель и в этот раз близко соответствовала результатам применения численного метода решения уравнений общей теории относительности при соотношении масс до 3.

Далее они планируют изучить поведение чёрных дыр, сближающихся по эллиптическим, а не идеально круговым орбитам. Совместно с Хьюзом исследователи также планируют ввести понятие "несогласованных орбит", то есть орбит, при которых чёрные дыры находятся друг относительно друга наклонно, вращаясь в разных геометрических плоскостях.

Кроме того, они надеются ещё поработать со своей моделью и выяснить, при каких условиях она, наконец, перестанет работать. Сможет ли она работать при соотношении масс 2 или ниже? Филд и Ханна хотят это понять. "Уверенность в приближённом методе возникает, когда видишь, что он не работает, говорит Ричард Прайс, физик из Массачусетского технологического института. Когда кто-то выдаёт приближение, дающее удивительно хорошие результаты, вы неминуемо задаётесь вопросом, нет ли здесь какого-то жульничества, не могло ли быть так, что кто-то, пусть и бессознательно, подтасовал результаты?" Если Филд и Ханна покажут предел прочности своей модели, "тогда действительно можно будет сказать: да, никакого обмана, просто это приближение работает лучше, чем можно было ожидать".

Будущее физики это не только странным образом работающее упрощение физических моделей, но и поиск новых точек зрения на существующие решения и, конечно, применение искусственного интеллекта для разнообразного ускорения расчётов. Мы уже писали о том, как люди научили искусственный интеллект решать дифференциальные уравнения, а значит, моделировать физические процессы, гораздо быстрее, чем раньше, изменив пространство, в котором выполняется решение.

Если вы хотите экспериментировать с искусственным интеллектом, находить с его помощью решение разнообразных задач, вы можете обратить внимание на наш курс "Machine Learning и Deep Learning", партнёром которого является компания NVIDIA.

Другие профессии и курсы
Подробнее..

Перевод Почему для чёрных дыр 28 47 72, а не 75

26.05.2021 20:08:54 | Автор: admin
Две чёрные дыры, каждая с аккреционным диском, изображаются незадолго до столкновения. С новым сообщением GW190521 мы нашли самые тяжелые массивные чёрные дыры, когда-либо обнаруженные в гравитационных волнах, их масса превышает 100 солнечных масс, они впервые раскрывают массу переходной чёрной дырыДве чёрные дыры, каждая с аккреционным диском, изображаются незадолго до столкновения. С новым сообщением GW190521 мы нашли самые тяжелые массивные чёрные дыры, когда-либо обнаруженные в гравитационных волнах, их масса превышает 100 солнечных масс, они впервые раскрывают массу переходной чёрной дыры

Для некоторых физических объектов, подчиняющихся закону гравитации, сложение не всегда просто. Если объединить чёрную дыру массой 28 солнечных масс с чёрной дырой массой в 47 солнечных масс, полученная в результате чёрная дыра будет иметь массу 72 солнечные массы, а не 75. Фактически при слиянии любых двух чёрных дыр получаемая в результате масса меньше стартовой. Это связано не с недостатком математики, а скорее с особенностями работы гравитации. Здесь объясняется, почему при слиянии чёрных дыр всегда теряется масса.


Когда чёрная дыра и звезда-компаньон вращаются друг вокруг друга, движение звезды со временем изменяется из-за гравитационного влияния чёрной дыры, в это же время чёрная дыра обрастает веществом звезды, порождая рентгеновское и радиоизлучение. Если вместо звезды на орбите вращается другая чёрная дыра, будет преобладать гравитационное излучение (ЦЗИНЧУАНЬ ЮЙ/ПЕКИНСКИЙ ПЛАНЕТАРИЙ/2019год)Когда чёрная дыра и звезда-компаньон вращаются друг вокруг друга, движение звезды со временем изменяется из-за гравитационного влияния чёрной дыры, в это же время чёрная дыра обрастает веществом звезды, порождая рентгеновское и радиоизлучение. Если вместо звезды на орбите вращается другая чёрная дыра, будет преобладать гравитационное излучение (ЦЗИНЧУАНЬ ЮЙ/ПЕКИНСКИЙ ПЛАНЕТАРИЙ/2019год)

Одно из первых научных правил, которым мы учимся в нашей жизни, это сохранение энергии. Оно гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена, а только преобразована из одной формы в другую. Поднимая тяжелый блок, вы выполняете работу (форма энергии) против силы тяжести: вы передаёте энергию блоку. В результате блок приобретает гравитационную потенциальную энергию. Если блок бросить, эта потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию, а в момент соударения блока с полом эта энергия переходит во множество других форм: тепло, деформацию и звуковую энергию, помимо прочего.

Поэтому, если начать с двух масс, также присутствует определённое количество полной энергии, энергии, которая присуща всему, что имеет массу, и задаётся самым известным уравнением Эйнштейна: E = mc. Есть, конечно, и другие формы энергии, но три из них нельзя игнорировать. Две из них более очевидны, чем третья; но мы должны рассмотреть все соответствующие формы энергии, если хотим убедиться, что всё, что необходимо сохранить, действительно сохранено.

Из-за эффектов как высокой скорости (специальная теория относительности), так и кривизны пространства (общая теория относительности) звезда, проходящая рядом с чёрной дырой, должна подвергнуться ряду важных воздействий, которые приведут к физическим наблюдаемым явлениям, таким как красное смещение её света и небольшое, но значительное изменение её эллиптической орбиты. Сближение S02 в мае 2018 года было лучшим шансом, предоставленным нам, чтобы исследовать эти релятивистские эффекты и тщательно изучить предсказания Эйнштейна (ESO/M. KORNMESSER)Из-за эффектов как высокой скорости (специальная теория относительности), так и кривизны пространства (общая теория относительности) звезда, проходящая рядом с чёрной дырой, должна подвергнуться ряду важных воздействий, которые приведут к физическим наблюдаемым явлениям, таким как красное смещение её света и небольшое, но значительное изменение её эллиптической орбиты. Сближение S02 в мае 2018 года было лучшим шансом, предоставленным нам, чтобы исследовать эти релятивистские эффекты и тщательно изучить предсказания Эйнштейна (ESO/M. KORNMESSER)

В дополнение к энергии массы покоя мы должны рассмотреть энергию следующих трёх типов:

  1. Гравитационная потенциальная энергия зависит от расстояния между двумя массами. Массы, разделённые бесконечным расстоянием, имеют нулевую гравитационную потенциальную энергию. Однако, чем ближе они друг к другу, тем больше деформируется пространство-время и, следовательно, тем больше мы получаем отрицательной гравитационной потенциальной энергии.

  2. Кинетическая энергия определяется движением этих двух масс относительно друг друга. Чем быстрее вы двигаетесь, тем больше ваша кинетическая энергия. Сочетание кинетической и потенциальной энергии объясняет, почему падающие объекты ускоряются: по мере уменьшения отрицательной гравитационной потенциальной энергии растёт положительная кинетическая энергия.

  3. Энергия также содержится в гравитационных волнах (форма гравитационного излучения, которая уносит энергию из системы).

При слиянии двух движущихся объектов порождается огромное количество гравитационных волн. Простое путешествие через искривлённое пространство отличный способ заставить массивные частицы излучать гравитационные волны. В этом заключается фундаментальная разница между гравитацией Эйнштейна и гравитацией НьютонаПри слиянии двух движущихся объектов порождается огромное количество гравитационных волн. Простое путешествие через искривлённое пространство отличный способ заставить массивные частицы излучать гравитационные волны. В этом заключается фундаментальная разница между гравитацией Эйнштейна и гравитацией Ньютона

В то время как понятия энергии массы покоя, потенциальной гравитационной энергии и кинетической энергии прекрасно работают в ньютоновской механике и гравитации, гравитационное излучение по своей сути новая идея, присущая общей теории относительности Эйнштейна. Когда массивное тело движется через область пространства, в которой изменяется кривизна пространства-времени или ускоряется массивное тело (меняет направление), даже когда кривизна пространства-времени остаётся постоянной, такое взаимодействие порождает излучение определённого типа гравитационные волны.

Любое массивное тело, вращающееся вокруг любого другого массивного тела, будет излучать эти волны, причём, как правило, чем меньше масса, тем больше эффект. Например, мы считаем, что Земля вращается вокруг Солнца по стабильной орбите, но технически это не совсем верно. Если бы свойства Солнце оставались постоянными никаких изменений массы никогда, Земля не осталась бы на эллиптической орбите навечно. Наоборот, планеты будут медленно излучать энергию, их орбиты будут снижаться, и в конечном счёте они будут по спирали приближаться к Солнцу. Для достижения финальной точки Земле может потребоваться около 10 лет. Падение остаётся ненаблюдаемым долгое время, но, если гравитационное излучение реально, то оно произойдёт.

Гравитационное движение Земли вокруг Солнца не связано с невидимым гравитационным притяжением, но лучше описывается свободным падением Земли в искривлённом пространстве, большая часть кривизны которого порождается Солнцем. Кратчайшее расстояние между двумя точками не прямая линия, а геодезическая: кривая линия, которая определяется гравитационной деформацией пространства-времени. Проходя через такое искривлённое пространство, Земля испускает гравитационные волны (LIGO/T. PYLE)Гравитационное движение Земли вокруг Солнца не связано с невидимым гравитационным притяжением, но лучше описывается свободным падением Земли в искривлённом пространстве, большая часть кривизны которого порождается Солнцем. Кратчайшее расстояние между двумя точками не прямая линия, а геодезическая: кривая линия, которая определяется гравитационной деформацией пространства-времени. Проходя через такое искривлённое пространство, Земля испускает гравитационные волны (LIGO/T. PYLE)

Однако во многих астрофизических сценариях эффекты гравитационных волн гораздо более выражены. В общем, любой эффект, который существует только в общей теории относительности (а не в ньютоновской гравитации), будет самым сильным там, где:

  • массы велики;

  • расстояния малы;

  • кривизна пространства велика.

Где у нас есть большие массы на малых расстояниях, где пространственная кривизна очень значительна? Вблизи массивных, компактных объектов: белых карликов, нейтронных звезд и чёрных дыр. Из всех них у чёрных дыр наибольшие массы, наименьшие объёмы, к ним можно подойти на очень близкое расстояние, и рядом с ними пространственная кривизна максимальна.

Однако чёрные дыры чрезвычайно трудно обнаружить и наблюдать, в то время как многие нейтронные звёзды имеют характерный признак очень регулярную пульсацию. Когда одна пульсирующая нейтронная звезда вращается вокруг другой, большей массы, например другой нейтронной звезды или чёрной дыры, мы можем начать измерять поведение таких импульсов, и они открывают нам нечто захватывающее.

Пульсар с массивным двойным компаньоном, особенно компактным компаньоном, таким как белый карлик, другая нейтронная звезда или чёрная дыра может испускать значительное количество гравитационных волн. Такое излучение вызовет изменение временных наблюдений пульсара, что позволит проверить теорию относительности (ESO/L. CALADA)Пульсар с массивным двойным компаньоном, особенно компактным компаньоном, таким как белый карлик, другая нейтронная звезда или чёрная дыра может испускать значительное количество гравитационных волн. Такое излучение вызовет изменение временных наблюдений пульсара, что позволит проверить теорию относительности (ESO/L. CALADA)

Если бы нейтронная звезда находилась на совершенно стабильной орбите, которая никак не деформируется из-за излучения предсказанных гравитационных волн, мы получили бы постоянный во времени характер импульсов. Однако, если бы орбита распадалась, мы бы увидели эволюцию этого характера импульсов, и, в частности, мы также увидели бы ускорение самого орбитального движения. (С потерей энергии тело падает ближе к другим массам, а это означает более плотные и быстрые орбиты.)

С 1960-х годов мы знаем о двойных пульсарах, т.е. пульсарах, вращающихся вокруг другой нейтронной звезды. Мы также знаем о синглетных пульсарах, или пульсарах, которые в своей системе представляют собой единственное тело с большой массой. Что мы обнаруживаем при длительном наблюдении за такими объектами? У таких пульсаров очень последовательный характер импульсов, и этот характер не изменяется с течением времени. Однако для двойных пульсаров характерно не только изменение последовательности наблюдаемых импульсов, но и сама последовательность меняется в точности так, как предсказывает общая теория относительности в силу излучения гравитационных волн.

Релятивистский прогноз (красная линия) и ньютоновский прогноз (зелёная линия) в сравнении с данными двойного пульсара (чёрные точки). С самого первого открытия двойной нейтронной звездной системы мы знали, что гравитационное излучение уносит энергию. Поиск системы на завершающих стадиях движения по спирали и слияния был только вопросом времени (НАСА (L), РАДИОАСТРОНОМИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ МАКСА ПЛАНКА/МАЙКЛ КРАМЕР)Релятивистский прогноз (красная линия) и ньютоновский прогноз (зелёная линия) в сравнении с данными двойного пульсара (чёрные точки). С самого первого открытия двойной нейтронной звездной системы мы знали, что гравитационное излучение уносит энергию. Поиск системы на завершающих стадиях движения по спирали и слияния был только вопросом времени (НАСА (L), РАДИОАСТРОНОМИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ МАКСА ПЛАНКА/МАЙКЛ КРАМЕР)

Па-де-де в космосе: когда две нейтронные звезды танцуют вокруг общего центра гравитации, они излучают гравитационные волны. Поскольку это происходит с обоими объектами, они теряют часть орбитальной энергии, медленно приближаясь друг к другу по спиральной орбите, а их период обращения становится всё короче. Диаграмма справа показывает их состояние как двойного пульсара PSR-J0737-3039.

Хотя нейтронные звёзды могут быть как массивными, так и невероятно компактными, достигая по массе чуть более 2 солнечных масс при размерах всего 1020 километров, чёрные дыры ещё экстремальнее. Их массивные тела сжимаются до сингулярности, скрытой за горизонтом событий (граница, из-за которой теоретически ничто не может вырваться), размер и форма которого определяются только их массой и угловым моментом.

Когда чёрные дыры вращаются друг вокруг друга в так называемой двойной системе чёрных дыр, каждая масса испытывает влияние пространства-времени, искривлённого другой массой. Когда они движутся по взаимным орбитам, взаимодействие массы и искривлённого пространства-времени порождает излучение. (Аналогичный эффект имеет место в электромагнетизме, когда заряжённая частица, движущаяся/ускоряющаяся через изменяющееся электромагнитное поле, испускает излучение.) Амплитуда, частота и энергия гравитационного излучения определяются величиной масс, разделением масс и скоростью движения масс в этом искривлённом пространстве-времени.

Рябь пространства-времени, порождаемая орбитальными массами, возникает независимо от конечного продукта слияния. Однако большая часть высвобождаемой энергии исходит только на нескольких последних орбитальных витках и во время фактического слияния двух масс, которые проходят стадии вращения по спирали и слияния (Р. ХАРТ CALTECH/JPL)Рябь пространства-времени, порождаемая орбитальными массами, возникает независимо от конечного продукта слияния. Однако большая часть высвобождаемой энергии исходит только на нескольких последних орбитальных витках и во время фактического слияния двух масс, которые проходят стадии вращения по спирали и слияния (Р. ХАРТ CALTECH/JPL)

Удивительно то, что большая часть излучаемой энергии около 90% или более испускается только во время последних двух или трёх орбитальных витков этих масс друг вокруг друга, а также в момент самого слияния. Если бы не этот энергетический пик в самом конце долгого космического танца, мы бы полностью пропустили многие события излучения гравитационных волн, которые мы видели, включая самое первое.

Во многих случаях только всплеск во время этих последних миллисекунд даёт нам верную сигнатуру сигнала гравитационных волн, возвышающегося над шумом. (Также часто удаётся извлечь оставшийся сигнал.) Во многих отношениях мы наблюдаем самые энергетические события излучения гравитационных волн со времён Большого взрыва. Например, за последние несколько миллисекунд, когда горстка солнечных масс может быть преобразована в энергию гравитационных волн, при слиянии система двух чёрных дыр может излучать больше энергии, чем все звёзды во Вселенной, вместе взятые.

На этом графике показаны массы всех компактных двойных звёзд, обнаруженных LIGO/Virgo: чёрные дыры, отмеченные синим цветом, и нейтронные звёзды, отмеченные оранжевым цветом. Также показаны чёрные дыры с массами звёзд (фиолетовые) и нейтронные звёзды (жёлтые), обнаруженные с помощью наблюдений электромагнитных волн. Всего у нас более 50 наблюдений событий излучения гравитационных волн, соответствующих слиянию компактных масс (LIGO/VIRGO/СЕВЕРО-ЗАПАДНЙ УНИВЕРСИТЕТ/ФРЭНК ЭЛАВСКИ)На этом графике показаны массы всех компактных двойных звёзд, обнаруженных LIGO/Virgo: чёрные дыры, отмеченные синим цветом, и нейтронные звёзды, отмеченные оранжевым цветом. Также показаны чёрные дыры с массами звёзд (фиолетовые) и нейтронные звёзды (жёлтые), обнаруженные с помощью наблюдений электромагнитных волн. Всего у нас более 50 наблюдений событий излучения гравитационных волн, соответствующих слиянию компактных масс (LIGO/VIRGO/СЕВЕРО-ЗАПАДНЙ УНИВЕРСИТЕТ/ФРЭНК ЭЛАВСКИ)

Забавно в этом то, что есть простое приближение, которое позволяет ответить на вопрос: При слиянии любых двух чёрных дыр какая часть массы преобразуется в энергию?

Приближение? Просто возьмите меньшую массу из двух сливающихся чёрных дыр, умножьте это значение на 0,1 примерно такая часть массы преобразуется в энергию. Да, это 10% от массы меньшей чёрной дыры.

Существуют всевозможные сложные эффекты, и большая вращательная составляющая чёрной дыры, которая есть у многих из них, может немного изменить историю. Однако эффекты масс, как правило, доминируют над спином / угловым моментом, а эффекты неравномерных соотношений масс, как правило, невелики. Фактически физик Виджай Варма построил график в целях проверки этого приближения для различных соотношений масс, и, как вы видите, 10% от меньшей массы отличное приближение для доли массы, которая преобразуется в энергию при слиянии двух чёрных дыр.

Какая часть массы преобразуется в гравитационные волны при слиянии двух чёрных дыр? Обратите внимание, что, хотя график, очевидно, показывает большие вариации в зависимости от соотношения масс, масштаб по оси y очень мал, и 10% даёт хорошее приближение в широком диапазоне соотношений масс (ВИДЖАЙ ВАРМА)Какая часть массы преобразуется в гравитационные волны при слиянии двух чёрных дыр? Обратите внимание, что, хотя график, очевидно, показывает большие вариации в зависимости от соотношения масс, масштаб по оси y очень мал, и 10% даёт хорошее приближение в широком диапазоне соотношений масс (ВИДЖАЙ ВАРМА)

Если происходит слияние двух чёрных дыр и известны их начальные массы, можно предсказать, какая часть этих масс перейдёт в окончательную чёрную дыру после слияния, а какая часть будет излучена в виде гравитационных волн. Просто возьмите чёрную дыру меньшей массы, уберите из неё 10% массы, а чтобы получить конечный результат, оставшуюся часть объедините с другой чёрной дырой. Между тем эти 10% массы меньшей чёрной дыры преобразуются в гравитационные волны, которые распространяются по Вселенной во всех направлениях.

Таким образом, если взять чёрные дыры массой 46 и 40 солнечных масс, масса конечной чёрной дыры равна 82 солнечным массам, а 4 солнечных массы будут излучены.

Для чёрных дыр массой 53 и 10 солнечных масс масса финальной чёрной дыры равна 62 солнечным массам, а в излучение перейдёт 1 солнечная масса.

Для чёрных дыр массой 47 и 28 солнечных масс масса финальной чёрной дыры равна 72,2 солнечной массы, а в излучение перейдёт 2,8 солнечной массы.

В нижней части анимации показан сигнал гравитационных волн (по амплитуде и частоте), генерируемых двумя чёрными дырами примерно одинаковой массы при прохождении стадий вращения по спирали и слияния. Такой сигнал гравитационных волн распространяется в трёхмерном пространстве со скоростью света. Его можно обнаружить с расстояния в миллиарды световых лет достаточно точным детектором гравитационных волн (Н. ФИШЕР, Х. ПФАЙФФЕР, А. БУОНАННО (ИНСТИТУТ ГРАВИТАЦИОННОЙ ФИЗИКИ ИМ. МАКСА ПЛАНКА), МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭКСТРЕМАЛЬНОГО ПРОСТРАНСТВА-ВРЕМЕНИ (SXS))В нижней части анимации показан сигнал гравитационных волн (по амплитуде и частоте), генерируемых двумя чёрными дырами примерно одинаковой массы при прохождении стадий вращения по спирали и слияния. Такой сигнал гравитационных волн распространяется в трёхмерном пространстве со скоростью света. Его можно обнаружить с расстояния в миллиарды световых лет достаточно точным детектором гравитационных волн (Н. ФИШЕР, Х. ПФАЙФФЕР, А. БУОНАННО (ИНСТИТУТ ГРАВИТАЦИОННОЙ ФИЗИКИ ИМ. МАКСА ПЛАНКА), МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭКСТРЕМАЛЬНОГО ПРОСТРАНСТВА-ВРЕМЕНИ (SXS))

Пока пространство искривлено, массивное тело не может двигаться через него, не испуская гравитационного излучения. В самых тяжёлых случаях это даже влияет на то, как выполняется сложение. От первого предсказания гравитационных волн до их первого прямого измерения прошло 100 лет, и это достижение никогда не выглядело более впечатляющим. По мере улучшения наших наблюдений мы сможем выявить более тонкие эффекты, наложенные поверх этого простого приближения. Однако пока наслаждайтесь простотой математики чёрных дыр, которая доступна каждому!

Несмотря на такую простоту математики столкновений чёрных дыр современное моделирование космических процессов по-прежнему требует анализа огромных потоков данных с детекторов, иными словами, до подобных упрощений и допущений нужно доходить ощутимо трудными путями, зато результаты трудов всегда будут поражать нас красотой, точностью и чёткостью науки.

Сегодня анализ данных и работа с ними отдельная, интересная область не только в науке, но и в сфере бизнеса пренебрегать данными сейчас просто невозможно. И если область работы над данными и их анализа вам интересна, вы можете обратить внимание на наш флагманский курс по Data Science, где получаемый студентами объём знаний равен знаниям, приобретаемым за два-три года активного самостоятельного изучения науки о данных.

Узнайте, как прокачаться и в других специальностях или освоить их с нуля:

Другие профессии и курсы
Подробнее..

Что варится в пекулярных звездах

05.06.2021 20:22:47 | Автор: admin

Однажды сэр Артур Эддингтон, считающийся основателем теоретической астрофизики, заявил, что ничего нет более простого, чем звезда. Действительно, при всей грандиозности большинство звезд это почти однородные и очень стабильные объекты. Звезда главной последовательности в течение миллионов, миллиардов или, возможно, даже триллионов лет перерабатывает запасы водорода, постепенно сдвигаясь в красную часть спектра, а в конце пути, как правило, превращаясь в белый карлик. При этом о триллионах лет сейчас можно говорить лишь гипотетически, но красные и оранжевые карлики действительно могут просуществовать так долго, тогда как голубые сверхгиганты выгорают за миллионы лет. Например, возраст Спики (альфа Девы) составляет около 12,5 миллионов лет.

Звезда светится благодаря процессу термоядерного синтеза, в ходе которого ядра водорода превращаются в ядра гелия, а гелий на заключительных этапах существования звезды порождает и более тяжелые элементы. Последовательность примерно такова (в скобках номер элемента в таблице Менделеева): водород (1) гелий (2) небольшие примеси лития (3) углерод (6) магний (12) железо (26) + небольшие примеси никеля (28), а также спорадически возникающие ядра кадмия и олова. В целом элементы тяжелее железа в обычных звездах практически не образуются. Их источниками являются взрывы сверхновых, при которых синтезируются все элементы как минимум вплоть до урана (атомный номер 92, атомная масса 238), а также взрывы гиперновых, при которых схлопывание умирающей звезды происходит постепенно, и, за счет огромной исходной массы светила, выделяемая энергия еще выше.

Кстати, существует следующее предположение: обилие тяжелых элементов на Земле может быть связано с тем, что в обозримом прошлом недалеко от нашей планеты произошел взрыв гиперновой, и нас накрыло взрывной волной именно после этого события, произошедшего около 400 миллионов лет назад, на Земле могли остаться следы короткоживущего никеля-56.

Поэтому тем более интересно, что из этой стройной системы есть немало исключений. До 25% звезд главной последовательности являются пекулярными (от англ. peculiar - странный). Это означает, что спектральный анализ выявляет в них линии элементов, в том числе, гораздо тяжелее железа. Очевидно, состав этих звезд обусловлен спецификой их эволюции. Именно об этом мы поговорим далее.

Итак, Эддингтон изрядно упростил ситуацию ради афоризма. Звезда сложный обогатительный комбинат, где сравнительно незамысловатые термоядерные реакции порождают целую цепочку легких элементов, начиная водородом и гелием, и заканчивая железом, марганцем, кобальтом и никелем. Стареющая звезда это не костер, а скорее кузница. Но возможности ее ограничены: обычная звезда не может достичь такой степени сжатия, чтобы в ней в неследовых количествах образовывались элементы тяжелее железа. Это же означает, что в молодой звезде, активно переваривающей запасы водорода и гелия, железа будет мало. Но столь же верно, что повышение концентрации легких металлов в звезде должно свидетельствовать о ее скорой гибели.

Эта логичная картинка неожиданно потребовала пересмотра, когда в 1933 году молодой американский астроном Уильям Морган обнаружил звезду, в составе которой был явный избыток марганца. Марганец находится в таблице Менделеева под номером 25, то есть, непосредственно перед железом. Такой элемент звезда породить в состоянии. Но его обилие в составе звезды косвенно означает, что эволюция звезды близится к закату, а звезда, открытая Морганом, признаками старения не обладала.

С конца 40-х астрономы принялись усиленно изучать спектроскопию звезд, и обнаружили, что звезды с аномальным химическим составом встречаются на каждом участке Главной Последовательности.

Сначала принялись искать звезды, обладающие избытком марганца и выяснилось, что они действительно встречаются нередко; таков, например, Альферац, альфа Андромеды. Но звезды, подобные Альферацу, богаты не только марганцем, но и ртутью. Ртуть же занимает в таблице Менделеева 80-ю клетку, она более чем вдвое тяжелее железа. Образоваться в звезде в ходе типичных ядерных реакций она никак не могла.

Дальше больше. Оказалось, что химические странности звезд не ограничиваются содержанием тяжелых металлов. По каким-то причинам вышеприведенная цепочка изотопов сбивается, и некоторые звезды главной последовательности усиленно обогащаются бором, углеродом, кислородом и азотом (так называемые OBCN-звезды). Причем, такие звезды подразделяются на два подкласса: в OB-N повышено содержание азота, а в OB-C содержание углерода.

Исследование таких звезд вывело астрофизиков на интересную закономерность: оказывается, почти все звезды подкласса OB-N являются двойными, то есть, обращаются вокруг общего центра масс:

Таким образом, звездная пекулярность в некоторых случаях может быть связана с существованием двойных систем. В такой системе звезды могли бы вторично захватывать атомы легких элементов, например, из протопланетного облака.

Но вернемся к находкам Уильяма Моргана. Воодушевившись открытием ртутно-марганцевых звезд, он продолжал изучать ночное небо со спектрометром, и вскоре обнаружил другие классы пекулярных звезд. Именно Морган впервые описал марганцевые, хромовые, европиевые, циркониевые и кремниевые звезды. Позже эту классификацию немного обобщили: в наше время среди пекулярных звезд принято выделять 1) ртутно-марганцевые 2) европий-хром-циркониевые и 3) кремниевые звезды.

Ртутно-марганцевые, бариевые и свинцовые звезды

Именно к ним относится упомянутый выше Альферац из созвездия Андромеды, видимый невооруженным глазом (величина +2,6). С Земли Альферац кажется одиночной яркой звездой, но на самом деле это двойная звездная система:

Именно голубая звезда Альферац-А в этой паре является ртутно-марганцевой, а также содержит заметные количества европия, иттрия и платины. Другая известная двойная ртутно-марганцевая звезда Джиенах гамма Ворона. Сейчас Джиенах еще является голубым гигантом, ему может оставаться несколько миллионов лет до превращения в красный гигант.

В 1970 появилось предположение, что образование пекулярных звезд в двойных системах может быть связано с гравитационным осаждением, а также с давлением излучения: поскольку две звезды находятся очень близко друг от друга, на расстоянии меньшем одной астрономической единицы, взаимное облучение приводит к слипанию протонов (ядер водорода) в более крупные ядра. Именно таким образом в пекулярных звездах может образовываться сравнительно легкий марганец. Давление излучения может выталкивать тяжелые элементы из недр звезды наверх, в атмосферу где мы и фиксируем необычные спектральные линии. Интересный побочный эффект значительное усиление магнитного поля ртутно-марганцевой звезды, что также упрощает ее обнаружение.

Но ртутно-марганцевыми звездами картина не ограничивается. Еще в природе встречается немало бариевых и циркониевых звезд, а также есть звезды, богатые свинцом и висмутом.

В двойных системах, где белый карлик соседствует с голубым гигантом, вещество белого карлика может перетекать гигантскому соседу, в результате чего в голубом гиганте усиливаются линии бария (56 элемент).

Иные процессы приводят к накоплению небольших количеств свинца (82 элемент) в звездах, относящихся к группе AGB (асимптотическая ветвь гигантов). Это огромные звезды, которые на диаграмме Герцшпрунга-Рассела (вынесена в качестве КДПВ к этой статье) считаются гигантами за счет высокой светимости, но температура их сравнительно невелика многие из них относятся к спектральному классу M, также S и C.

Именно в асимптотической ветви гигантов был открыт s-процесс, то есть, медленное обрастание мелких атомов нейтронами с последующим превращением нейтронов в протоны. Таким образом, в пекулярных звездах тяжелые элементы могут образовываться в небольших количествах и без сверхновых и гиперновых событий. S-процесс протекает медленно и может приводить к образованию всех стабильных элементов и даже многих радиоактивных.

Технециевые звезды

После того, как в 1925 году Вальтер и Ида Ноддак получили чистый рений, в доурановой части таблицы Менделеева пустовали всего две клетки. Это была клетка экамарганца, то есть, элемента 43, и клетка 61 легкий лантаноид, который идет сразу после церия. Эти элементы, технеций (экамарганец) и прометий - существенно легче последних стабильных элементов, свинца и висмута ( 82 и 83) но сами стабильных изотопов не имеют и в природе не встречаются. Дело в том, что сама конфигурация ядра у этих элементов неправильная, и поэтому они легко теряют протоны, превращаясь в другие простые вещества. Элемент 43 был открыт в 1937 году Эмилио Сегре на Сицилии, когда отважный физик смог извлечь его из радиоактивных отходов от работы циклотрона Лоуренса.

До 1937 года технеций в Солнечной системе практически отсутствовал. Даже ультраредкие астат (85) и франций (87) постоянно присутствуют в земной коре в количестве десятков граммов, поскольку являются побочным продуктом распада других изотопов, а технеция практически нет (при распаде одного грамма урана возникает порядка 1 пикограмма (1x10-12 г) технеция). Дело в том, что технеций получается обогащением других изотопов, в первую очередь, молибдена а также, как уже сказано выше, образуется в радиоактивных отходах в ядерном реакторе. Сегодня наша цивилизация ежегодно производит технеций килограммами, но период полураспада самых долгоживущих его изотопов 98Tc и 99Tc составляет считанные миллионы лет. Но s-процесс может приводить к образованию технеция в некоторых пекулярных звездах, относящихся к подгруппе циркониевых звезд. Спектральные линии технеция в циркониевых звездах еще в 1952 году зафиксировал американский астроном Меррилл Пол Уиллард. Технеций в больших количествах присутствует в атмосфере циркониевых звезд, например, этих: R Андромеды, U Кассиопеи, W Андромеды, R Близнецов. Соответственно, эти звезды действуют как настоящие ядерные реакторы, и технеций является в них не случайной примесью, а элементом жизненного цикла.

Антизвезды

Обзор химической пекулярности звезд был бы неполон без упоминания об антизвездах.

Одной из величайших загадок астрофизики является практически полное отсутствие антивещества во Вселенной. При этом теоретически антивещество должно было бы образоваться при Большом Взрыве в равной пропорции с обычным веществом. Соответственно, поскольку антивещество существует (элементарная античастица позитрон открыта в 1932 году) преимущественно в виде антигелия, обнаруженного в космических лучах должно быть объяснение, почему его настолько мало. Возможно, на заре существования Вселенной антивещество и вещество успели аннигилировать друг с другом превратиться в фотоны а вещество, наблюдаемое сегодня, является лишь небольшим избытком того первичного антивещества.

В телескоп антивещество практически не должно отличаться от вещества, поскольку также испускает фотоны, а свет это фотоны. Подсказкой могли бы послужить только акты аннигиляции, которые мы могли бы зафиксировать: при аннигиляции происходит выброс гамма-излучения в строго определенной узкой области спектра. Антивещество могло бы концентрироваться в виде настоящих антизвезд, а при столкновении с частицами вещества давать стабильный поток гамма-вспышек в этой области.

В 2021 году ученые из университета Тулузы под руководством Симона Дюпурке (Simon Dupourqu) нашли на небе 14 таких аномальных источников гамма-излучения. Пока эти наблюдения остаются чисто астрономическими, а не астрофизическими то есть, хорошо было бы поймать космические лучи от звезд-кандидатов и посмотреть, из чего они состоят. Аннигиляционное топливо было бы самым мощным и при этом компактным источником энергии для межзвездных перелетов (корабль ЗАРЯ из фильма Москва-Кассиопея это звездолет аннигиляционный релятивистский ядерный). При этом мы пока не представляем, как можно было бы добывать антивещество в промышленных или вообще макроскопических количествах. Добыча крупиц антивещества в почтительном отдалении от антизвезды отличный сюжет для голливудского блокбастера. Поэтому остается надеяться, что открытие французов когда-нибудь приведет нас к его неисчерпаемым и недостижимым залежам.

Заключение

Надеюсь, мне удалось продемонстрировать, насколько преждевременным и наивным было утверждение Артура Эддингтона, вынесенное в начало этой статьи. Порой звезда это не водородно-гелиевый костер, а сложный ядерный реактор, возможно, даже концептуальная модель для создания искусственного астрофизического реактора, который, будучи окружен магнитными полями, мог бы походить на пекулярную звезду. Поэтому завершу эту статью я другим афоризмом, принадлежащим Айзеку Азимову: Самая волнующая фраза,какую можно услышать внауке, вовсе неэврика!, авот это забавно. Или, добавим мы, пекулярно.

Подробнее..

Безопасно наблюдаем и фотографируем кольцеобразное солнечное затмение 10 июня

07.06.2021 14:15:24 | Автор: admin

В ближайшие дни на территории Евразии и Северной Америки будет наблюдаемо очередное солнечное затмение, более того на территории РФ впервые за 50 лет оно будет кольцеобразным (макс. фаза 0,9435)! Огненное кольцо будет видимо на протяжении 100 минут, двигаясь от Онтарио до севера России. Жители почти всего СНГ будут свидетелями частной фазы, при которой Луна покрывает Солнце не полностью. Чтобы стать свидетелем такого нечастого события, следует знать несколько правил по наблюдению Солнца и солнечного затмения, о которых я расскажу в этом материале. Также я покажу, каким образом можно безопасно фотографировать Солнце и как наблюдать затмение даже в плохую погоду.

Любой вопрос или замечания Вы можете написать в комментариях. Также я открыт для личного диалога втелеграмеили беседы внашем чате. А еще у меня естьтелеграм-канало космологии.

Соблюдайте базовые меры безопасности

Не смотрите на Солнце невооруженным глазом

Поскольку затмение не будет полным, то сильного потемнения, заметного глазу, не произойдет. Даже в максимальной фазе без светозащитных средств затмение будет не видно из-за ослепительной яркости Солнца. А вот даже быстрый взор на Солнце способен вызвать световой ожог и на долгое время образовать черное пятно, мешающее человеку видеть. Что уж говорить о продолжительном наблюдении: в таком случае при использовании двух глаз появляется сильное желание зажмуриться, отвести взгляд и сберечь глаза, но если схитрить и закрыть один глаз, то продержаться можно дольше. В таком случае практически неминуем длительный световой ожог и ожог роговицы или сетчатки глаза роговица может зажить через несколько дней, а вот в последнем случае ожог может привести к безвозвратному ухудшению или даже потере зрения. В качестве примера привожу видео, где парень, смотря на светило одним глазом, заработал себе перманентный световой отпечаток в виде черного пятна.

Не используйте подручные средства

Конечно, на свой страх и риск можно использовать в качестве помощников для наблюдения затмения что угодно даже дуршлаг, но безопасность в таком случае вам никто не гарантирует, ведь вещь изначально имеет иное предназначение. По этой причине я настоятельно не рекомендую наблюдать Солнце через фотопленку, магнитную пленку, закопченные стекла и CD-диски. Солнцезащитные очки хоть и способны оградить наблюдателя от опасного солнечного излучения, но не помогут увидеть само затмение, ведь степень понижения яркости у них небольшая.

Снарядитесь базовыми средствами светозащиты

Сэкономьте на бизнес-ланче

Я не говорю про специализированное астрономическое оборудование. В свое время я услышал про эффективность сварочных масок и решил это проверить. Цена вопроса 150 рублей. Я купил самую простую сварочную маску, вышел из магазина, надел ее и посмотрел на Солнце на небе я увидел круглый яркий круг лаймового цвета, наблюдать который мне было комфортно даже на протяжении длительного временного промежутка. Метод, как я считаю, самый демократичный и дешевый, и действенный. Конечно, звезда через дешевые маски может ярчить, но вызывать болезненных ощущений и дискомфорта не будет. К тому же маска надевается на голову, освобождая руки.

Вот как выглядит Солнце через сварочную маску за 150 рублейВот как выглядит Солнце через сварочную маску за 150 рублей

Вариант для голодных

У всех есть лист А4, с помощью которого можно сделать базовый проектор. На первом листе с помощью ножа или булавки нужно проделать небольшое отверстие важно, чтобы оно было круглое и гладкое. Затем, требуется взять этот лист близко к телу так, чтобы свет Солнца попадал в щель, а затем взять второй лист и параллельно первому листу разместить его на таком расстоянии, чтобы получилось четкое изображение затмения.

Credit: timeanddate.comCredit: timeanddate.com

Для продвинутых

Предлагаю к рассмотрению специальные светофильтры, блокирующие солнечное излучение. Это могут быть как специальные астрономические фильтры для телескопов и биноклей, изготовленные из полиэфира, так и светофильтры для фотоаппаратов они имеют степень понижения пропускаемого света, т.н. ND. Для наблюдения Солнца фильтр должен иметь оптическую плотность более пяти, т.е. пропускать не более 0,01% света, соответственно следует выбирать либо астрономические фильтры, либо фотофильтры ND 500, ND 1000 и далее.

ND-фильтр или астрофильтр в первую очередь предназначены для фотоустройств и оптических приборов, следовательно, перейдем к следующей части статьи.

Степень понижения яркости изображения в зависимости от предустановленного ND-фильтраСтепень понижения яркости изображения в зависимости от предустановленного ND-фильтра

Уберег глаза побереги и матрицу

Камера это те же глаза, что и те, которыми вы читаете эту статью. Матрица фотоаппарата может повредиться при воздействии прямых солнечных лучей, поэтому производитель не рекомендует фотографировать восходы и закаты на больших значениях апертуры. В данном случае требуется выставлять минимальные значения диафрагмы и выдержки, включать режим LiveView и смотреть на Солнце через ЖК-экран. Ни в коем случае не смотрите в видоискатель, иначе повредите глаза. Желательно использовать DSLR-камеру, а не беззеркалку, чтобы при открытом объективе свет не попадал на матрицу в момент простоя.

Снимать Солнце можно и на коротких выдержках (см. пример ниже), но таймлапсы могут выжечь матрицу и нагреть аппарат, потому желательно попробовать применить перечисленные подручные средства для фотоаппаратов. Камеры не настолько требовательны к требованиям безопасности и выжженная камера явно лучше поврежденного глаза. Например, можно нацепить стекло от сварочной маски или ее целиком на фотоаппарат.

300mm, f/45, 1/4000 sec, Солнце в 9:25 утра без сварочного стекла300mm, f/45, 1/4000 sec, Солнце в 9:25 утра без сварочного стеклаТе же настройки, но через сварочное стекло. На экране частичное солнечное затмение от 21 июня 2020 годаТе же настройки, но через сварочное стекло. На экране частичное солнечное затмение от 21 июня 2020 года

И напоследок...

Несмотря на предвещаемую синоптиками плохую погоду, солнечное затмение можно будет наблюдать даже через облако. Для этого достаточно сварочной маски солнечные лучей очень много и большая их часть проходит через атмосферу с минимальными искажениями, потому на месте густого облака через стекло Солнце будет отчетливо заметно.

Берегите глаза и не смотрите ими в телескоп без астрофильтра! Напоминаю, что затмение пройдет 10 июня и точное время для вашего региона, а также остальную информацию по поводу этого события можно узнать в моемтелеграм-канале, где я также рассказываю о последних новостях космологии и астрофизики, а также пишу об астрофотографии. По всем вопросам пишите мне вличкуилинаш чат. Также не стесняйтесь попросить помочь узнать подробную информацию по затмению в вашем населенном пункте. Всем добра!

Подробнее..

Перевод Как образуются астрофизические кротовые норы и как мы можем их наблюдать

11.06.2021 18:10:18 | Автор: admin

Любой вопрос или замечания Вы можете написать в комментариях. Также я открыт для личного диалога втелеграмеили беседы внашем чате. А еще у меня естьтелеграм-канало космологии.

Введение

Червоточины, кротовины или кротовые норы (англ.: Wormholes) это гипотетические пространственно-временные структуры с нетривиальной топологией (см. примечание 1), соединяющие либо две области одной вселенной, либо две разные вселенные (см. рис. 1). Входы в червоточину называются "устьями", а область между "устьями" (mouth) именуют "горлом" (throat). Простейшая конфигурация кротовой норы представляет собой два устья, соединенных одним горлом. Возможны и более сложные структуры кротовин [1].

Примечание переводчика 1: Тривиальной топологией называют ту топологию, которая обладает минимальным возможным количеством открытых множеств, т.е. пустого множества и всего пространства. Если предположить, что существуют две разных вселенные, обладающие топологией сферы и соединяющиеся между собой только одной кротовой норой, то такое пространство-время будет обладать тривиальной топологией сферы. Если же кротовиной соединяются между собой две разные части одной вселенной, то такое пространство-время будет обладать уже нетривиальной топологией тора. Если две вселенные, обладающие топологией сферы, соединяются между собой двумя и более кротовыми норами, то результирующее пространство-время также будет обладать нетривиальной топологией. Система вселенных, соединенных между собой несколькими кротовыми норами, также будет обладать нетривиальной топологией.

Рис.1: Если представить наше трехмерное пространство в виде двухмерной поверхности, то червоточина может быть представлена в виде цилиндрической поверхности, соединяющей две области в одной вселенной или двух разных вселенных. Входы в червоточину называются ее устьями, они соединяются горлом.Рис.1: Если представить наше трехмерное пространство в виде двухмерной поверхности, то червоточина может быть представлена в виде цилиндрической поверхности, соединяющей две области в одной вселенной или двух разных вселенных. Входы в червоточину называются ее устьями, они соединяются горлом.

Червоточины не являются предсказанием ни одной теории гравитации, в т.ч. ОТО, и об их существовании можно делать лишь предположения, основанные на том, что кротовые норы представляют собой пространственно-временные структуры, существование которых вероятно в искривленных пространствах. Механизм образования и существования этих структур описывается в зависимости от конкретной теории гравитации по-разному отсюда и исходят проблемы существования червоточин в нашей Вселенной.

Первые попытки решить проблему кротовых нор относят к Эйнштейну и Розену (см. раздел "Формирование..."), [2], а сами червоточины впервые были рассмотрены Мизнером и Уилером в 1957 году [3]. Существуют так называемые "проходимые" и "непроходимые" кротовины и особый интерес к себе привлекают именно проходимые это те, которые можно пересекать в обоих направлениях, т.е. те, которые являются коротким путем для путешествий на большие расстояния без нарушения скоростного предела. В ОТО проходимые червоточины допустимы лишь при наличии экзотического вида материи, чтобы устья кротовых нор постоянно были открыты в противном случае червоточина будет схлопываться и закрывать свои устья [6-8], вероятно, превращаясь в обычную черную дыру. В других теориях гравитации надобности в экзотической материи нет [11-14].

Поскольку мы не можем быть уверены в абсолютной правильности теории относительности для нашей Вселенной, то можем предполагать, что проходимые червоточины могут существовать и без специального вида материи. Астрофизические наблюдения могут искать кротовые норы, и за последние тридцать лет сформировалось несколько гипотез их поиска во Вселенной, которые стали особенно актуальны в последние годы, связанные со стремительным прогрессом средств наблюдений, способствующих изучению и поиску новых методов наблюдений кротовин.

В данном материале будут рассмотрены основные методы поиска макроскопических проходимых червоточин. Сначала будут описаны основные механизмы формирования и стабильности проходимых кротовых нор, затем будут рассмотрены сами методы их поиска и наши успехи, связанные с этими методами.

Формирование макроскопических проходимых кротовых нор

Для существования таких объектов как червоточины требуется наличие астрофизических механизмов, способных к созданию этих структур и поддержанию их стабильности на достаточно долгом промежутке времени, ограниченном временем их обнаружения. В классической общей теории относительности существование таких механизмов ограничено топологической цензурой (см. приложение 2). Тем не менее квантовые эффекты позволяют нам обойти эту цензуру.

Примечание переводчика 2: Принцип топологической цензуры гласит о том, что при отсутствии некоей экзотической формы материи во вселенной, описываемой Общей теорией относительности, нетривиальная топология пространства-времени не может быть обнаружена сторонним наблюдателем, так как время коллапса ее областей намного меньше времени, требуемого свету для пересечения этих областей.

Решение проблемы непроходимых червоточин, мост Эйнштейна-Розена

Рассмотрим черную дыру в статической метрике:

\delta s^2 = -\left(1-\frac{2GM}{r}\right)\delta t^2 + \frac{\delta r^2}{1-\frac{2GM}{r}} + r^2 \delta \Omega.

Применив преобразование координат:

u^2 = r - 2GM,

получим метрику, содержащую два несвязанных асимптотически плоских пространства с общим горизонтом. Такая червоточина является необратимой, содержит горизонт событий и может соединять только области двух различных вселенных (см. рис. 2). Проблема заключается в том, что расстояние между устьями у такой червоточины бесконечно, следовательно, устья не могут взаимодействовать за пределами червоточины. Другая проблема состоит в том, что горло кротовой норы определяется распределением массы, потому почти всегда оно будет неустойчиво к малейшим возмущением, за чем будет следовать разрушение под собственной силой тяжести. Для предупреждения этого требуется наличие отталкивающей силы, удерживающей червоточину от разрушения. Неизвестно, возможно ли создать такую кротовую нору, так как мы все еще не знаем, как концентрировать энергию отрицательной плотности в макроскопических объемах. Другим способом обеспечивать стабильность кротовины является ее очень тонкое горло, разрушение которого маловероятно уже при наличии небольшого количества энергии отрицательной плотности.

Рис.2: Диаграмма Пенроуза для червоточины Эйнштейна-Розена. Горло червоточины (горизонт), представлено двумя пунктирными линиями (см. приложение 3). Примечание: уместно заменить термин нулевой бесконечности на термин изотропной бесконечности или светоподобной бесконечности (от англ.: null infinity).Рис.2: Диаграмма Пенроуза для червоточины Эйнштейна-Розена. Горло червоточины (горизонт), представлено двумя пунктирными линиями (см. приложение 3). Примечание: уместно заменить термин нулевой бесконечности на термин изотропной бесконечности или светоподобной бесконечности (от англ.: null infinity).

Примечание переводчика 3: Форма записи метрики пространства-времени определяется выбором системы координат. Диаграмма Пенроуза описывается системой координат, где неограниченная вселенная изображается в ограниченной области, а граница называется бесконечностью, так как состоят из точек, бесконечно удаленных во времени. Изобразим в ограниченной области геодезические кривые каждая из них упрется в две точки на границе, где первая точка будет пределом, к которому стремится точка на геодезической, когда время стремится к минус бесконечности (прошлая бесконечность), а вторая будет пределом, к которому стремится точка на геодезической, когда время стремится к плюс бесконечности (будущая бесконечность). Бесконечность бывает времениподобная (time-like), светоподобная (null) и пространственноподобная (spatial), в зависимости от того, каким является касательный вектор у соответствующей геодезической.

Механизм образования червоточин

Очевидным источником образования кротовых нор является квантовая гравитационная фаза ранней Вселенной, в которой флуктуации топологии пространства-времени позволили бы образование червоточины. С другой стороны, те же флуктуации способствуют образованию областей с отрицательной плотностью, которые обеспечивают стабильное состояние червоточины. Из микроскопических масштабов с ходом расширения Вселенной такие области становятся макроскопическими, а значит потенциально наблюдаемыми. Та же аналогия распространяется на суперструнную теорию, где суперструны с ростом размеров Вселенной растягиваются до больших суперструн и поддерживают стабильность кротовин.

В литературе существует множество моделей голографической вселенной, в которой 3+1-мерное пространство или брана встроено в пространство более высокой размерности [27-29]. Брана по своим свойствам не обязательно прямая: она может изгибаться, скручиваться и даже пересекать себя, а потому точки пространства на такой бране могут быть удалены на большие расстояния вдоль самой браны, но иметь короткий путь в объемлющем пространстве. Если рассмотреть две параллельные браны, относящиеся к разным вселенным, и поместить на них по черной дыре, то мы можем попробовать образовать червоточину, заставив искривить пространства-времена так, чтобы браны соприкоснулись. Такая конструкция, при условии массивных устьев, минимизирует потребность в экзотическом виде энергии для стабильного существования кротовой норы, но может случиться, что длинное горло начнет фрагментироваться на более мелкие части для того, чтобы минимизировать свою энергию.

Поиск астрофизических червоточин

Большинство кротовых нор, рассмотренных в литературе, являются имитациями черных дыр, потому нам требуется различать черные дыры и кротовины. Заметим, что некоторые червоточины могут не являться имитациями черных дыр: например, могут не иметь положительной массы, а следовательно, и аккрецирующей материи вокруг них. Тем не менее такие структуры оказывают влияние на свет (см.: микролинзирование).

А. Гравитационное линзирование

Самый очевидный способ обнаружения червоточин, основанный на поиске событий микролинзирования. Он рассмотрен в работах как первая попытка обнаружения червоточин [33, 34]. В работе Торреса показано, что определенные червоточины могут производить такие события микролинзирования как гамма-всплески; на основании этого авторы определили верхний предел плотности массы кротовиноподобных объектов во Вселенной [35].

Рис.3: Эволюция интенсивности фонового источника при прохождении червоточины с эффективной отрицательной массой (слева) и нормального компактного объекта (справа). Кривые соответствуют значениям параметров воздействия; наименьший параметр воздействия характеризуется более выраженной модуляцией интенсивности источника и наоборот: от зеленого до красного. Иллюстрация взята из [34].Рис.3: Эволюция интенсивности фонового источника при прохождении червоточины с эффективной отрицательной массой (слева) и нормального компактного объекта (справа). Кривые соответствуют значениям параметров воздействия; наименьший параметр воздействия характеризуется более выраженной модуляцией интенсивности источника и наоборот: от зеленого до красного. Иллюстрация взята из [34].Рис.4: Верхние границы доверительных вероятностей для плотности числа червоточин Эллиса во Вселенной (68% и 95%). Данные поиска квазаров Слоановского цифрового обзора. По оси абсцисс: радиус горла червоточины в единицах парсек/h, где h масштабный коэффициент Хаббла. Иллюстрация взята из [55].Рис.4: Верхние границы доверительных вероятностей для плотности числа червоточин Эллиса во Вселенной (68% и 95%). Данные поиска квазаров Слоановского цифрового обзора. По оси абсцисс: радиус горла червоточины в единицах парсек/h, где h масштабный коэффициент Хаббла. Иллюстрация взята из [55].Рис.5: Диаграмма Пенроуза для червоточины, соединяющей две вселенные (раздел Вращающиеся звезды).Рис.5: Диаграмма Пенроуза для червоточины, соединяющей две вселенные (раздел Вращающиеся звезды).

Б. Вращающиеся звезды

При условии гладкого соединения двух пространств проходимой червоточиной объекты одного пространства, находящиеся в окрестности первого устья, будут испытывать влияние объектов, находящихся в окрестности второго устья из другого пространства. Это предоставляет нам интересную возможность наблюдать за вращающимися вокруг черных дыр (потенциальных устьев) звездами и обнаруживать наличие постороннего воздействия на них.

Смоделируем проходимую червоточину, у одного устья которого находится тестовый объект (или наблюдатель), а у другого источник возмущений гравитационного поля (ориг.: perturber). Устья располагаются в шварцшильдовских пространствах-временах областью радиуса R такого, чтобы он превышал гравитационный радиус устья, т.е. R > rg 2GM. Выведя гравитационные возмущения perturber'а мы сможем определить дополнительное ускорение наблюдателя в нашем пространстве-времени:

a \approx -\mu \frac{R}{A}\frac{1}{r^2},

где масса источника возмущений из другого пространства-времени, A радиальное расположение этого источника, r радиальное расстояние от наблюдателя до центра червоточины. Для извлечения наблюдательного эффекта рассмотрим эллиптическую орбиту источника возмущений:

\Delta a = \mu R\left(\frac{1}{r_p}-\frac{1}{r_a}\right)\frac{1}{r^2}.

Если орбита объекта вытянута так, что ra > rp, то можем выразить эту величину как:

\Delta a = \mu \frac{R}{r_p}\frac{1}{r^2}.

Рассмотрим конкретный пример звезду S2, вращающуюся вокруг центра нашей галактики Sgr A*, где расположена сверхмассивная черная дыра с M = 4 106 Mсолн. Масса звезды S2 составляет 14Mсолн, ее орбитальный период составляет 15,9 лет и большая полуось имеет размер 1031,69 астрономических единиц. Ускорение звезды составляет 1,5 м/с2 и измерено с точностью 4 10-4 м/с2. На рисунке ниже показано, с какой точностью возможно исключить ситуацию, в которой подобная звезда на другом конце червоточины (если мы предположим, что Sgr A* является таковой) воздействует на S2 на расстоянии нескольких гравитационных радиусов. Для точности определения воздействия источника возмущений на другой стороне нам нужно исключить все консервативные объяснения, такие как возмутители на нашей стороне или релятивистские эффекты высшего порядка.

Рис.6: График ограничений на массу (ось ординат, массы Солнца Mс) и радиуса перицентра rp (ось абсцисс, 2GMс) для гипотетической звезды, вращающейся вокруг Sgr A* с обратной стороны червоточины и возмущающей орбиту S2 на нашей стороне. Линии представляют собой ограничения с точностью ускорения S2, равной 410^4 м/с*с, 210^5 м/с*с и 10^6 м/с*с соответственно.Рис.6: График ограничений на массу (ось ординат, массы Солнца Mс) и радиуса перицентра rp (ось абсцисс, 2GMс) для гипотетической звезды, вращающейся вокруг Sgr A* с обратной стороны червоточины и возмущающей орбиту S2 на нашей стороне. Линии представляют собой ограничения с точностью ускорения S2, равной 410^4 м/с*с, 210^5 м/с*с и 10^6 м/с*с соответственно.

Прямой способ наблюдения эффекта дополнительного ускорения поиск отклонений орбиты объекта от ожидаемого невозмущенного кеплеровского или общего релятивистского значения. Подробно, с учетом расчета дополнительных периодических изменений орбитальной скорости объектов, это было рассмотрено в [62]. Чтобы оценить изменение орбитальной скорости, вызванное дополнительным ускорением, мы можем предположить, что оное происходит раз в орбитальный период источника возмущений с другой стороны червоточины T0. Мы представляем себе воздействие источника на наблюдателя как импульсивное и происходящее вблизи перицентра. Сравнивая ошибку измерений изменения скорости с дополнительным ускорением, мы можем определить верхний предел массы источника возмущений:

\mu > \frac{1}{G}\frac{r'_p}{r_g} r^2_{avg} \frac{1}{f'^2 T'} \sigma_{\nu} \left (\frac{T'}{\tau}\right)^{1/2},

где ravg среднее расстояние наблюдаемого объекта от червоточины (большая полуось), f0 = r'p/r'a, v неопределенность измерения скорости. Поскольку из законов Кеплера следует, что T0 r'p3/2 этот предел r'p1/4.

Очевидно, что нам нужно подбирать чистые системы без динамических изменений, вызванных чем-либо посторонним кроме источника возмущений. Например, для черной дыры с R = 106 м и радиусом орбиты 106 rg предел массы источника возмущений должен быть на 4 порядка ниже, чем полученный из наблюдений S2 за год.

В. Визуализация тени червоточины

Попытки визуализировать сверхмассивные черные дыры и их т.н. тени начались более 20 лет назад [71]. Граница тени черной дыры соответствует сфере захвата фотонов и ее анализ таким образом может ограничить геометрию пространства-времени вокруг компактного объекта [72]. Исследование природы сверхмассивных черных дыр на основе изучения их тени стало весьма актуальным после публикации изображения тени черной дыры в центре галактики M87, полученного в рамках проекта Event Horizon Telescope Collaboration [16].

Большинство пространств с червоточиной имеют сферу захвата фотонов за пределами их устьев. Если кротовина окружена каким-либо тонким излучающим газом, то наблюдатель сумеет увидеть тень кротовины. В работе [73] было проведено первое исследование тени кротовой норы, где было отмечено, что размер тени кротовой норы может значительно отличаться от тени черной дыры из-за различного изгиба света (см. рис. 7). Происходит это потому, что проходимые червоточины не имеют горизонта и их гравитационное поле слабее, чем поле черных дыр, потому ожидаемо, что и размеры тени и области захвата фотонов меньше, чем у черных дыр.

Предположив, что граница червоточины представляет собой круг и что нам известны спин и угол наклона черной дыры и потенциальной червоточины, полученные в ходе независимой оценки, мы можем сравнить потенциальную червоточину и черную дыру. Осесимметричная червоточина всегда будет иметь тень в форме деформированной окружности. Такой тест мы можем провести и для анализа изображения сгустка плазмы, аккрецирующего вокруг сверхмассивного объекта (будь то червоточина или черная дыра) [83]: в этом случае видимое изображение материала будет разным из-за различия в изгибе света в пространстве около червоточины или черной дыры.

Еще один тест основан на внутренних свойствах проходимых кротовин он предоставляет возможность обнаружить излучение, испускаемое с другой стороны червоточины [84, 85]. Такой тест действительно способен отличить червоточину от черной дыры. Заметим, что современные методы визуализации работают на миллиметровой длине волны, потому наблюдать оптическое изображение источника по ту сторону горла червоточины не представляется возможным.

Г. Спектр аккреционного диска

Анализ свойств излучения, испускаемого из внутренней части аккреционного диска вокруг компактного объекта потенциально может стать успешным инструментом для исследования природы источника. Наилучшей системамой для такого анализа является система с геометрически тонким и оптически толстым аккреционным диском, т.е. тем диском, у которого аккрецирующий материал имеет большой угловой момент.

Компактный объект представлен черным кругом с аккрецирующим диском на рис. 7. Каждая точка на диске находится в локальном тепловом равновесии и имеет спектр, подобный спектру черного тела. Весь диск имеет многотемпературный спектр черного тела. Для компактных объектов со звездной массой (M 10 Mс) спектр будет иметь пик в рентгеновском диапазоне (0,1-1 кэВ), а для сверхмассивных объектов (M 105-1010 Mс) в ультрафиолетовом (1-100 эВ). Тепловые фотоны диска могут подвергаться комптоновскому рассеиванию на свободных электронах в т.н. короне, представляющей собой более горячее (Te 100 кэВ) электронное облако в области сильной гравитации компактного объекта. Часть рассеянных фотонов могут создавать дополнительное освещение аккреционного диска, а само рассеяние и поглощение с последующей флуоресцентной эмиссией создают отражательный компонент [90].

Рис.7: Смоделированное изображение оптически тонкой области излучения для черной дыры Шварцшильда (слева) и проходимой сферически-симметричной червоточины (справа). Координаты осей абсцисс и ординат указаны в единицах гравитационного радиуса системы. Иллюстрация взята из [73].Рис.7: Смоделированное изображение оптически тонкой области излучения для черной дыры Шварцшильда (слева) и проходимой сферически-симметричной червоточины (справа). Координаты осей абсцисс и ординат указаны в единицах гравитационного радиуса системы. Иллюстрация взята из [73].Рис.8: Компактный объект с аккрецирующим геометрически тонким и оптически толстым диском. Иллюстрация взята из [89].Рис.8: Компактный объект с аккрецирующим геометрически тонким и оптически толстым диском. Иллюстрация взята из [89].

Исследования конкретных решений червоточин представлены в работах [91-94]. Однако существует два факта, которые необходимо принимать во внимание при использовании данного метода обнаружения кротовых нор. Во-первых, метод работает только для компактных объектов со звездной массой, т.к. для сверхмассивных объектов с максимумом излучения в УФ-диапазоне поглощение пыли ограничивает возможности для точного измерения спектра диска. Во-вторых, тепловой спектр диска имеет простую форму, в результате чего при анализе реальных данных мы обнаружим сильное вырождение параметров, что ставит под сомнение возможность отличить черную дыру от червоточины [95].

Стоит отметить и то, что в случае проходимых червоточин можно ожидать, что часть материала может перетекать по горлу из одного устья в другое, что может создать движение вещества в противоположных направлениях, а, следовательно, и генерирование гамма-вспышек [103].

Д. Гравитационные волны

Гравитационно-волновые тесты представляют собой еще один подход к поиску астрофизических червоточин. В отличие от электромагнитных тестов, зависящих от метрики пространства-времени и упомянутых ранее, гравитационно-волновые тесты требуют еще и вычисления сигнала гравитационной волны из уравнений теории, поэтому необходимо уточнить, какую гравитационную модель мы будем брать за основу.

Рис.9: Эволюция деформации, разделения черной дыры и ее относительной скорости для события GW150914 со временем. Иллюстрация взята из [15].Рис.9: Эволюция деформации, разделения черной дыры и ее относительной скорости для события GW150914 со временем. Иллюстрация взята из [15].

Эксперименты LIGO и Virgo в настоящее время достигли чувствительности, позволяющей обнаружить слияние двух компактных объектов звездной массы каждые несколько дней. Коалесценция состоит из трех стадий: движения по спирали, слияния и финальной стадии. На стадии движения по спирали два тела вращаются вокруг общего центра масс, теряя свою энергию и угловой момент за счет излучения гравитационных волн. Расстояние между телами уменьшается, а относительная скорости и частота обращения увеличивается. На фазе слияния образуется один объект. После слияние следует финальная стадия, в которой образовавшийся объект излучает гравитационные волны, чтобы прийти к равновесной конфигурации.

Перед фазой слияния два объекта находятся относительно далеко друг от друга, а само сближение занимает слишком малый промежуток времени для того, чтобы провести точное измерение геометрии пространства-времени. Это легче сделать, если массы двух объектов значительно различаются, например, как в работе [104], где авторы рассматривают черную дыру массой 5Mс и червоточину массой 200Mс. Подобная система нами еще не наблюдалась, но, вероятно, она будет обнаружена в будущем, например, в связи с использованием космических гравитационно-волновых антенн (типа eLISA). Червоточины могут иметь очень разные приливные свойства и даже могут порождать периодические всплески после стадии слияния [105]. Вообще фаза слияния потенциально информативна для определения природы компактного объекта и проверки теории гравитации, но все еще неприступна из-за необходимости в точных и продолжительных измерениях сигнала и сложности делать теоретические предсказания.

Излучение гравитационных волн в стадии слияния и финальной стадии характеризуется так называемыми квазинормальными модами (KHM), которые в зависимости от конкретной модели могут предоставить информацию о природе компактных объектов [107-113]. Текущие гравитационно-волновые данные еще не в состоянии проверить эти модели, поскольку необходимы точные измерения по крайней мере нескольких KHM, что достижимо в обозримом будущем.

Заключение

Существование проходимых червоточин во Вселенной это экзотическая и увлекательная гипотеза, которая на данный момент представляет единственную возможность для межзвездных и межгалактических путешествий в далеком будущем. В последние годы произведен большой прогресс в исследованиях компактных объектов, что побуждает к новым исследованиям и проверкам природы компактных объектов в ближайшем будущем. К сожалению, нам не удалось процитировать и обсудить все материалы из области изучения кротовых нор. Тем не менее, мы надеемся, что этот обзор послужит в качестве отправной точки для заинтересованного читателя в изучении этого увлекательного направления астрофизических исследований.

Комментарий переводчика

Оригинальная статья 2105.00881(gr-qc) Козимо Бамби и Деяно Стойковича была представлена на arXiv.org 3 мая 2021 года, последнее изменение от 8 мая 2021 года. Цитата из обзора препринтов astro-ph Сергея Б. Попова: Обзор посвящен астрофизическим поискам червоточин. Конечно, маловероятно, что они встречаются в природе, тем не менее интересно узнать, как бы они могли проявляться, и какие наблюдательные пределы на эти проявления имеются. Кроме того, статья начинается с понятного физико-исторического введения. Все материалы, использованные в качестве источников к этому материалу, представлены в конце оригинальной статьи.

Ну и напоминаю, о том, чтобы читатель не стеснялся задать вопрос или поправить меня в комментариях. Также у меня естьтелеграм-канал, где я рассказываю о последних новостях космологии и астрофизики, а также пишу об астрофотографии. Пишите мне вличкуилинаш чат. Всем добра!

Подробнее..

Ложная вспышка в самой далекой галактике GN-z11 оказалась отблеском разгонного блока. О проблеме космического мусора

14.06.2021 18:13:31 | Автор: admin

Ранняя Вселенная, вероятно, является одной из самых захватывающих космологических эпох, во время которой сформировался тот космос, который существует и поныне. Считается, что эта эпоха длилась около миллиарда лет, и за это время от Большого взрыва Вселенная успела выстроить нить галактик, пережить рождение и смерть первых звезд, а также засвидетельствовать появление первых крупных галактик и черных дыр. Историю той Вселенной мы знаем не по книгам, а наблюдаем воочию благодаря ограниченной скорости света вдалеке от нас расположен молодой космос, свет которого идет сквозь эпохи и расстояния.

Любой вопрос или замечания Вы можете написать в комментариях. Также я открыт для личного диалога втелеграмеили беседы внашем чате. А еще у меня естьтелеграм-канало космологии.

GN-z11 на фотографии обзора Great Observatories Origins Deep Survey (GOODS).Credit: NASA, ESA, P. Oesch (Yale University), G. Brammer (STScI), P. van Dokkum (Yale University), and G. Illingworth (University of California, Santa Cruz).GN-z11 на фотографии обзора Great Observatories Origins Deep Survey (GOODS).Credit: NASA, ESA, P. Oesch (Yale University), G. Brammer (STScI), P. van Dokkum (Yale University), and G. Illingworth (University of California, Santa Cruz).

Пионерия молодой Вселенной

1980-е годы ознаменованы началом ознакомления человечества с летописью Вселенной. Теория Большого взрыва (БВ) на тот момент не позволяла узнать течение эволюции Вселенной, момент появления в ней первых звезд и галактик. Это стало возможным лишь после запуска первых космических телескопов, в особенности телескопа им. Хаббла. С его помощью мы сумели наблюдать объекты на больших красных смещениях, соответствующих ранним эпохам Вселенной. И писали историю тоже мы, наблюдая наскальные рисунки древних цивилизаций: реликтового излучения, древних звезд и масштабных структур. Эмпирическим методом находились все более молодые галактики не менее молодой Вселенной, обрисовывалась картина формирования мира в первые миллиарды лет его существования. Появились первые предположения по распределению эпох во Вселенной, формированию физических законов в первые моменты ее жизни, первичному нуклеосинтезу основных элементов, отделению вещества от излучения и образованию первых звезд и галактик. Все это стало возможно благодаря обнаружению объектов на z ~ 7-8, что соответствует 600-700 млн после БВ. Уже к тому моменту сформировались скопления галактик, а сами галактики имели высокий уровень звездного населения.

Иллюстрация, показывающая историю Вселенной сверху вниз: 1) Большой взрыв и ионизация (0-300 тыс лет); 2) Темные века (300-500 000 тыс лет); 3) Конец Темных веков и эпоха реионизации (500-1000 млн лет); 4) Существование Вселенной, схожей с современной (1 млрд лет - настоящее время).Credit: Djorgovski et al. (Caltech).Иллюстрация, показывающая историю Вселенной сверху вниз: 1) Большой взрыв и ионизация (0-300 тыс лет); 2) Темные века (300-500 000 тыс лет); 3) Конец Темных веков и эпоха реионизации (500-1000 млн лет); 4) Существование Вселенной, схожей с современной (1 млрд лет - настоящее время).Credit: Djorgovski et al. (Caltech).

GN-z11

Человеку всегда мало. Мы хотели проникнуть еще глубже и узнать истоки. Для этого нам и пригодился космический телескоп имени Хаббла, главной фишкой которого стала заменяемость отдельных компонентов, в том числе цифровой камеры. Еще в 90-е, в связи с браком главного зеркала, на телескоп установили очки (COSTAR), а сняли их лишь в 2009 году, в ходе последней миссии обслуживания. Заменой стала цифровая камера, способная корректировать неисправность зеркала телескопа Wide Field Camera 3. Эти так называемые глаза телескопа наблюдают за небом в ближнем ИК- и среднем УФ-диапазонах, имеют фантастическое разрешение в 0,04 угловые секунды, что позволяет регистрировать даже самые крохотные объекты, попавшие в кадр. За 12 лет работы с новым оборудованием телескопу удалось обнаружить более 1000 галактик, облик которых соответствует облику из молодой Вселенной. Так и сегодняшний герой материала, галактика GN-z11, был обнаружен в 2016 году на красном смещении z = 11,1, что соответствует расстоянию в примерно 32 миллиарда световых лет и возрасту Вселенной всего 400 миллионов лет. Это самый далекий объект, что удалось найти на данный момент.

Галактика располагается в созвездии Большой Медведицы, ее диаметр составляет примерно 4000 световых лет, что в 25 раз меньше диаметра Млечного Пути. Соответственно оценке красного смещения, галактика удаляется от нас на скорости 295 000 км/с, т.е. 98% от скорости света! Звездообразование в ней оценивается как активное, в 20 раз превышающее звездообразование во Млечном Пути. Это делает ее в три раза более яркой, чем другие галактики на z ~ 6-8. Повышенный интерес к находке также объясняется тем, что мы видим ее такой, какой она была в эпоху реионизации, происходящей через 400-800 млн лет после БВ. GN-z11 обнаружила международная группа астрономов (Oesch et al.) в ходе обзора CANDELS/GOODS-N, проводящего поиск объектов, существовавших в Темные века. Этот объект привлек внимание мирового сообщества тем, что существовал он в еще не наблюдаемой доныне космологической эпохе.

Почему это так важно

По мере расширения Вселенной наступил такой момент, когда она охладилась до температуры, позволившей веществу отделиться от излучения (380 000 лет после БВ) тогда образовался реликтовый фон или же космический микроволновый фон (CMB). Вселенная стала прозрачной для излучения. Тогда она хоть и была анизотропной на малых масштабах, ее однородности была выше, чем сейчас, потому требовалось большее количество времени для фрагментации вещества и его скучивания и коллапса. Плазмы в то время уже не было, а первые звезды еще не появились данный этап жизни Вселенной называют Темными веками, тогда во Вселенной не существовало фотонов в видимом спектре. Именно в темные века, продлившиеся 150 миллионов лет, путем конденсации нейтрального газа сформировались первые звезды, галактики и квазары. Ультрафиолетовое излучение мощнейших квазаров осветило и даже ослепило Вселенную при попадании фотона этого излучения на атом водорода происходило возбуждение и отрыв электрона и его отрыв атома, порождая ион. При этом свободный электрон так и оставался свободным, не находя себе пары для создания стабильного атома водорода таким образом средняя плотности вещества стремительно падала, образовывалась плазма, что в совокупности ускоряло процесс коллапса вещества и создания звезд и галактик. Время, в ходе которого мощное излучение ионизировало водород и готовило Вселенную к образованию крупномасштабных структур, называют эпохой реионизации. Оно длилось с 400 до 800 лет после БВ.

 Реконструкция нити галактик: филаменты (слева вверху), узлы соединения (справа вверху), наслоение (слева внизу), воиды (справа внизу). По осям отмечены единицы SGX (Supergalactic coordinates, англ: межгалактические координаты)Credit: Sebastin E. Nuza Реконструкция нити галактик: филаменты (слева вверху), узлы соединения (справа вверху), наслоение (слева внизу), воиды (справа внизу). По осям отмечены единицы SGX (Supergalactic coordinates, англ: межгалактические координаты)Credit: Sebastin E. Nuza

Открытие GN-z11 и его изучение помогает уточнить природу образования галактик, ведь на этот счет все еще не существует единого мнения. Но радовались мы недолго. Еще в 2016 году д.ф-м.н Игорь Чилингарьян высказал свой скептицизм к данному открытию. В 2020 году появляется новость о том, что обсерваторией им. Кека обнаружен яркий сигнал так называемая ультрафиолетовая вспышка GN-z11-flash. По заверению ученых, она обусловлена гамма-всплеском или взрывной волной сверхновой III популяции; в этом же году выходит несколько работ, где авторы высказывают свои идеи по поводу происхождения этой вспышки, в их числе:

  1. The GN-z11 flash event can be a satellite glint, Nir et al. (arXiv.org: 2102.04466);

  2. GN-z11-flash was a signal from a man-made satellite not a gamma-ray burst at redshift 11, Michalowski et al. (arXiv.org: 2102.13164).

Рассмотрим тезисы этих двух работ:

  1. GN-z11-flash это отражение высокоорбитального спутника;

  2. Кратковременные гамма-вспышки свойственны не космическим объектам, а вращающимся телам по типу спутников. В качестве доказательства приводится также тот факт, что угловые размеры вспышки в галактике соответствуют размерам типичных вспышек-отражений от рукотворных космических тел.

РН Протон (слева) и РБ БризМ (справа спереди)РН Протон (слева) и РБ БризМ (справа спереди)

Такие выводы удалось сделать путем мониторинга местоположения телескопа им. Хаббла и помех в виде космического мусора, а также положения галактики относительно них. Подходящим под местоположение в заданное время объектом стал обломок разгонного блока Бриз-М, запущенного РН Протон. Исследователи с помощью телескопа RBT/PST2 измерили магнитуду вспышки отражения блока и погрешности измерений, которые оказались в допустимых пределах.

Работы о гамма-вспышке в GN-z11 попали под шквал критики как минимум потому, что подобных вспышек от якобы удаленных объектов за сутки по всему миру регистрируется более сотни штук. По каждой работу писать глупо, так как быстро обнаруживается, что это помеха. Если посмотреть спектры, которые анализировались в исследованиях (пр.: Jiang et al., arXiv.org: 2012.06936), можно обнаружить их сходство со спектром Солнца (т.к. спутники отражают именно его свет напрямую или через Луну). Спутников на небе много, они бывают довольно большими и летают пачками по несколько штук в минуту на небольшой площади небесной сферы.

У знающих людей возникает вопрос: а откуда у обломка разгонного блока красное смещение z = 11? И действительно, на первый взгляд это весьма нелогично. Но если мы обратимся к классическому определению эффекта Доплера (да простят меня сейчас космологи), то увидим, что смещение пропорционально разности видимой и лабораторной длин волн. Если видимая длина волны измеряется непосредственно во время наблюдений, то лабораторная создается шаблоном в соответствующих условиях. Мы знаем из чего состоят галактики - из холодного нейтрального водорода HI и молекулярного водорода HII. НО! В эпоху реионизации состав галактик был немного другим, а потому и лабораторный спектр нужно измерять на другом эталоне! Например, квазары светят в CIII (углерод). Тут же в качестве эталона взяли как раз обычную для галактики смесь нейтральный и дважды ионизированный водород, хотя на деле это мог быть и OII или OIII (дважды или трижды ионизированный кислород) или даже H-alpha. Оттого разность получилась настолько большой, что вышла из разряда доединичных значений, став смещением аж самого далекого обнаруженного на данный момент объекта.

 Эмиссионные линии спектра GN-z11.Credit: Jiang et al. Эмиссионные линии спектра GN-z11.Credit: Jiang et al.Цитата из источника (Jiang et al., arXiv.org: 2012.06936).

Detection of emission lines. We first verify the detection of the UV continuum emission by stacking the 2D K-band spectrum along the wavelength direction. We detect a signal with a 5.1 significance at the expected spatial position of the GN-z11 UV continuum (Fig. 1). We also see the standard negative-positive-negative pattern in Fig. 1b. In our ABBA observing mode, the separation between the A and B positions was 3", or ~16.7 pixels. The peak of the positive signal is roughly at x ~ 58 in Fig. 1b, so we expect to see two negative signals at x ~ 41 and 75, respectively. The negative signal at x ~ 41 is clearly seen. We can also see the negative signal at x ~ 75, although it is in a big trough that makes it less obvious. We search for emission lines in the K-band 2D spectrum and first identify a strong (5.3 significance) line emission feature at about 22823 . Meanwhile, we detect a weaker (2.6 significance), nearby line at 22797 . This pair of lines can be explained as the [C III] l1907, C III] l1909 doublet at z = 10.957. We would not have claimed a 2.6 line as a detection if this line does not form a [C III], C III] doublet that is commonly seen at high redshift. We then search for >3 lines that are associated with this redshift, and detect a line (3.3) at ~19922 that is consistent with O III] l1666 (Extended Data Fig. 3). We do not detect any other lines in the spectrum at greater than 3 significance. If the two weak detections of 3.3 and 2.6 are not considered, the strongest line with the 5.3 detection can be explained as [C III] l1907 at z = 10.970 or C III] l1909 at z = 10.957. If this line is [C III] l1907 at z = 10.970, we would expect to detect C III] l1909 with significance of 3, because the largest flux ratio of [C III] l1907 to C III] l1909 is about 1.6 in regular environments. Since we did not detect the expected C III] l1909 emission, the 5.3 line is not likely [C III] l1907. Therefore, we interpret the line pair at 22797 and 22823 as the [C III] l1907, C III] l1909 doublet and the line at 19922 as O III] l1666 at z = 10.957.

Выводы

Что является итогом этого? Вероятно то, что проблема загрязнения космического пространства весома не только для мирового сообщества, но в частности и для астрономического. Уже сейчас астрономы регистрируют сотни вспышек, вызванных помехами в виде отражений спутников (актуальная история со Starlink). Мы научились обнаруживать эти ложные вспышки, но они все еще требуют сортировки, человеческих ресурсов, повышенных рисков и вложений. На фоне этих вспышек, по великой случайности, мы можем проигнорировать важное событие по типу сверхновой в такой же далекой галактике. Будем надеяться, что большинство событий, обнаруженных в древней Вселенной, являются действительными.

Ну и напоминаю, о том, чтобы читатель не стеснялся задать вопрос или поправить меня в комментариях. Также у меня естьтелеграм-канал, где я рассказываю о последних новостях космологии и астрофизики, а также пишу об астрофотографии. Пишите мне вличкуилинаш чат. Всем добра!

Библиографический список

[1] Evidence for GN-z11 as a luminous galaxy at redshift 10.957 / Linhua Jiang, Nobunari Kashikawa, Shu Wang et al. // Nature Astronomy. 2020. Dec. Vol. 5, no. 3. P. 256261. Access mode: http://dx.doi.org/10.1038/s41550-020-01275-y;

[2] Michalowski Micha l J., Kami nski Krzysztof, Kami nska Monika K., Wnuk Edwin. GN-z11-flash was a signal from a man-made satellite not a gamma-ray burst at redshift 11. 2021. 2102.13164;

[3] Nir Guy, Ofek Eran O., Gal-Yam Avishay. The GN-z11-Flash Event Can be a Satellite Glint. 2021. 2102.04466;

[4] A remarkably luminous galaxy at z = 11.1 measured with Hubble Space Telescope grismspectroscopy / P. A. Oesch, G. Brammer, P. G. van Dokkum et al. // The AstrophysicalJournal. 2016. Mar. Vol. 819, no. 2. P. 129. Access mode: http://dx.doi.org/10.3847/0004-637X/819/2/129.

Подробнее..

Перевод Какие инструменты будут установлены на Чрезвычайно большой телескоп?

18.06.2021 14:19:30 | Автор: admin

Проектирование и строительство инструментов для Чрезвычайно большого телескопа (ELT) началось в 2015 году. В данном переводе работы (Ramsay et al.) будет представлен краткий обзор плана создания приборов для ELT.

Любой вопрос или замечания Вы можете написать в комментариях. Также я открыт для личного диалога втелеграмеили беседы внашем чате. А еще у меня естьтелеграм-канало космологии.

Внешний вид ELT без "обшивки"Внешний вид ELT без "обшивки"

В декабре 2014 года Европейской южной обсерваторией было дано разрешение на строительство 39-метрового телескопа. Вместе с проектированием оптического устройства началась разработка компонентов телескопа план оснащения ELT предусматривает наличие инструментов для выполнения научной задачи телескопа, которые были выбраны научным сообществом ESO из концептуального проекта 2010 года (TheMessenger 140, 2010). На рисунке 1 представлена временная шкала разработки приборов.

Научная рабочая группа ELT выбрала первые для установки инструменты, которые будут введены в эксплуатацию вместе с первым светом:

  1. Монолитный оптический интегральный спектрограф, который имеет высокое угловое разрешение в ближнем ИК-диапазоне (англ.: High Angular Resolution Monolithic Optical and Nearinfrared Integral field spectrograph, HARMONI);

  2. Камера ближнего ИК-диапазона с мультиадаптивной оптикой (англ.: Multi-adaptive Imaging CamerA for Deep Observations, MICADO).

Также в разработке находятся системы адаптивной оптики:

  1. Модуль лазерное томографической адаптивной оптики (англ: Laser Tomographic Aaptive Optics, LTAO);

  2. Модули сопряженной адаптивной оптики (англ.: Multi-conjugate Adaptive Optics, MCAO и Multi-conjugate Adaptive Optics RelaY, Multi-conjugate Adaptive Optics RelaY, MAORY);

Данный набор инструментов позволит проводить на ELT широкоугольные обзоры неба, собирать огромную площадь регионов и производить первые необходимые исследования для проектов. Следующим инструментом по списку идет спектрограф, наблюдающий в среднем ИК-диапазоне на 3-14 мкм (англ.: Mid-infrared ELT Imager and Spectrograph, METIS) с односопряженной адаптивной оптикой (англ.: Singleconjugate Adaptive Optics, SCAO).

Roadmap разработки и фазы инструментаRoadmap разработки и фазы инструмента

Все вышеперечисленные приборы были одобрены к разработке и установке на ELT в 2015-м году. Предварительные проекты (PDR) для модулей HARMONI, а также MICADO и METIS состоялись в ноябре 2017, октябре 2018 и мае 2019 годов соответственно. Пакеты документов по каждому инструменту насчитывают несколько тысяч страниц, в число которых входят концепции дизайна, назначение и прочие. На текущий момент каждый из инструментов официально находится на этапе окончательного проектирования, и после окончательного рассмотрения проекта (FDR) они будут введены в эксплуатацию. Все инструменты с момента принятия их к разработке, кроме MAORY, практически не подверглись изменениям в ходе проектирования конструкцию MAORY существенно пересмотрели и оптимизировали с точки зрения технологичности и простоты в эксплуатации.

Как это всегда бывает, истинные требования инструментов со сложными техническими характеристиками к ресурсам были уточнены лишь в процессе совершенствования их конструкции: бюджет, масса и мощность, контроль вибрация, техническое обслуживание. Благодаря проведенному на высоком уровне проектированию устройств все инструменты перешли к завершающей фазе FDR без потери функциональности и производительности.

Чрезвычайно большой телескоп (ELT)Чрезвычайно большой телескоп (ELT)

Выше было рассказано лишь о тех устройствах, которые точно будут введены в эксплуатацию вместе с ELT. Но еще на первичной фазе исследований разработки ELT, происходящей в 2007-2010 годы, предполагалось использовать еще ряд инструментов:

  1. Многообъектный спектрограф (англ.: Multi-object Spectrograph, MOSAIC), который состоял из трех концепций (OPTIMOS-EVE, OPTIMOS-DIORAMAS и EAGLE);

  2. Спектрограф с высокой спектральной разрешающей способностью (англ.: Highstability Spectrograph, HIRES), который состоял из двух концепций (CODEX и SIMPLE).

Кроме того, на телескопе предлагается использовать инструмент ELT-PCS он будет выполнять одну из приоритетных и сложных задач, поиск и анализ экзопланет. Решение об установке устройства было принято в 2010 году. ELT-PCS будет введен в эксплуатацию чуть позже остальных приборов. Кроме того, для достижения экстремальных коэффициентов контрастности для наблюдений внесолнечных планет, для устройства разрабатывается уникальный коронограф.

Ну и напоминаю, о том, чтобы читатель не стеснялся задать вопрос или поправить меня в комментариях. Также у меня естьтелеграм-канал, где я рассказываю о последних новостях космологии и астрофизики, а также пишу об астрофотографии. Пишите мне вличкуилинаш чат. Всем добра!

Подробнее..

Пространственные спектры и фрактальность рельефа, силы тяжести и снимков

14.06.2021 10:08:37 | Автор: admin

Взаимосвязь рельефа и силы тяжести напоминает известную проблему курицы и яйца. С одной стороны, рельеф несомненно влияет на измеряемую на его поверхности силу тяжести уровень рельефа определяет расстояние до центра масс планеты, а возвышения рельефа содержат дополнительные притягивающие массы. С другой стороны, сила тяжести так же несомненно влияет на рельеф, что особенно заметно в океанах, форма поверхности которых повторяет аномалии силы тяжести. Мало этого, на поверхность рельефа воздействуют ветровая и водная эрозия и множество других факторов, так что характер взаимосвязи рельефа и силы тяжести становится сложно предсказать. Космические снимки также воспроизводят формы рельефа вместе с формами и цветами растительности и всего прочего на этом рельефе, так что характер взаимосвязи снимков и рельефа оказывается еще менее очевидным.


К счастью, поле силы тяжести и рельеф поверхности нашей планеты обладают свойством фрактальности, то есть самоподобия на разных масштабах, что и является ключом для определения характера связи между ними.



Измерение фрактальной размерности


Существует множество способов определения фрактальной размерности, и общего у них только наличие характерного пространственного масштаба. Можно производить вычисления фрактальности в пространственной области, а можно и в частотной (компоненты пространственного спектра), дифференцировать и интегрировать Секрет в том, что всё многообразие способов дает схожие результаты и выбор конкретного способа довольно произволен, важно лишь понимать, как результаты выбранного метода вычислений сопоставить с результатами других методов (Gneiting et al., 2012).


Возможно, фундаментальная математика это совсем не то, что вы ожидаете найти в этой публикации, но нам и не потребуются серьезные знания в области интегродифференциального и кумулянтного исчислений мы ограничимся обзорной экскурсией в некоторые из их свойств.


Производная (или дифференциал) означает наклон или приращение кривой, а интеграл (или отрицательная производная) означает заполнение или площадь под кривой. Таким образом, для произвольной кривой (одномерного сигнала) дифференциальный способ оперирует ломаной, характеризующей границу кривой, а интегральный способ площадью под кривой. Удивительно здесь то, что и дифференцирование и интегрирование задают пространственный масштаб, или окно вычислений. С интегралом сразу понятно, ведь площадь, очевидно, зависит от ширины фигуры под кривой, а вот с дифференциалом все не так просто. Подумаем, сколько значений минимально необходимо для вычисления первого дифференциала. Очевидно, два ведь нам нужно посчитать разницу между ними. А для второго дифференциала нам нужно вычислить разницу между двумя первыми дифференциалами, каждый из которых требует два значения и, если взять одно общее значение для вычисления первых дифференциалов, то потребуется три значения. Как видим, для вычисления N-го дифференциала необходимо N+1 значений. Значит, степень производной (дифференциала) также определяет пространственный масштаб. Таким образом, можно определить фрактальную размерность через интегрирование по отрезку изменяемого размера (окну), или через производные разных порядков (включая дробные и отрицательные, при этом последние соответствуют одной из первообразных, то есть интегралам). За подробностями рекомендую обратиться к публикациям ныне покойного профессора Нижегородского государственного университета имени Н. И. Лобачевского (Университет Лобачевского, ННГУ) Александра Ивановича Саичева, в которых я и нашел связь фрактальности с дробными производными (Саичев, В. А. Филимонов, 2008).


Корреляционная размерность и (поли)спектры определяются наборами значений с заданными расстояниями между ними, то есть содержат пространственный масштаб. Через них, соответственно, тоже можно определять фрактальную размерность. Основой для описания и понимания (поли)спектрального и корреляционного видов анализа является анализ кумулянтный (Дубков, Малахов, 1973). Для детального ознакомления рекомендую к прочтению теоретические и практические работы по кумулянтному и биспектральному (полиспектральному) анализу от преподавателей ННГУ Александра Александровича Дубкова и Германа Николаевича Бочкова, у которых мне посчастливилось учиться. Пользуюсь случаем поблагодарить их обоих, а Германа Николаевича еще и поздравить с юбилеем 80 лет!


Далее мы будем пользоваться вычислением фрактальной размерности через дисперсию компонентов оконного дискретного спектра мощности. В пространственной области аналогичный анализ выполняется круговым преобразованием Радона с дисперсией как базовой функцией. Иными словами, если в ранее нами использованном круговом преобразовании Радона, см. Методы компьютерного зрения для решения обратной задачи геофизики, заменить вычисление среднего значения на дисперсию (стандартное отклонение), тоже получится способ вычисления фрактальной размерности, притом довольно популярный (хотя и под разными названиями) в геологической литературе (см. ссылки в конце статьи). В радиофизике для описания подобных преобразований есть так называемые методы синтеза апертуры, то есть получения большого количества отсчетов вместо одного. Классический пример локатор бокового обзора (эхолот, в том числе) излучает и принимает отраженные сигналы непрерывно и для вычисления расстояния до каждой точки береговой линии или рельефа дна используется множество измерений, что позволяет сильно улучшить точность. Для нашей задачи рассмотрим простой пример можем ли мы определить фрактальность в одной точке рельефа разрешением 10 м? Очевидно, нет. Если же мы проанализируем все точки в кольцах радиуса от 1 до 1000 пикселов (в диапазоне 10 м 10 км для заданного разрешения), включающих от 4х до ~6000 пикселов (2R, где R это радиус кольца), то сможем с высокой точностью вычислить фрактальную размерность. При этом точность вычисления пропорциональна квадратному корню из числа пикселов или радиуса колец. А теперь в игру вступают силы природы если мы наблюдаем фрактальность на масштабе от 1 пиксела и более, эта же фрактальность гарантированно присутствует и на меньших масштабах, хотя мы не можем определить точно граничный масштаб. Небольшое отступление: в лабораторных экспериментах с моделированием динамики фотополимеров мы находили этот граничный масштаб в области сотен нанометров (где молекулы образуют сетчатые структуры и не гауссовые и не фрактальные), так что для геологических исследований граничного масштаба просто нет. Таким образом, благодаря самой сути явления фрактальности, становится возможным обнаружить области залегания фрактальных рудных тел размером значительно менее метра при анализе спутниковых оптических или радарных снимков 5-10 м разрешения (например, Sentinel-1 и Sentinel-2). Смотрите практические примеры в публикации Ударим биспектром по бездорожью, или как найти золото в Сибири. Обратите внимание, что сегодня мы рассматриваем спектральный метод, а не биспектральный, который обладает дополнительным важным свойством исключения гауссовых сигналов и, таким образом, значительно более чувствителен за счет полного игнорирования всех гауссовых помех, представляющих неразрешимую проблему для спектрального анализа на субпиксельных масштабах.


Отдельно отметим, что нет принципиальной разницы между двумерным и одномерным анализом фрактальности. Например, для вышеуказанного метода кольцевого преобразования Радона с базовой функцией дисперсией анализ является одномерным (в кольцах) для двумерных исходных данных. Этому методу можно сопоставить двумерный с вычислением дисперсии в кругах или даже квадратах (упрощаются вычисления ценой ухудшения точности из-за потери радиальной симметрии вариация расстояний от центра до границы квадрата искажает масштаб) соответствующего масштаба. Практическая разница возникает при наличии гауссовых помех, которые мы хотим исключить очевидно, что радиально симметричный анализ более применим для такого случая. В литературе можно встретить вариацию указанных подходов с вычислением количества пикселов, превышающих среднее значение (в кольцах, кругах или квадратах) вместо более устойчивого вычисления дисперсии.


Изостазия и граница фрактальности рельефа и силы тяжести


В статье Легенды и мифы геофизики мы узнали, что среди геофизиков существует миф об отсутствии связи между рельефом и силой тяжести, и показали, что на самом эта связь существует для определенного диапазона масштабов. А теперь разберемся с ней подробнее.


Как мы обсудили выше, нижнего предела масштаба фрактальности рельефа для практических целей не существует, а вот верхний предел есть и геологам он хорошо известен как глубина изостазии:


ИЗОСТАЗИЯ (от изо и греч. состояние), состояние механич. равновесия поверхностной оболочки Земли, при котором на некоторой глубине (обычно принимаемой равной 100150 км) в верхней мантии давление вышележащих пород становится одинаковым. В этом случае избыток или недостаток масс на поверхности Земли компенсируется соответствующим перераспределением масс в её недрах. [Большая Российская Энциклопедия Изостазия]

Заметим, что это определение означает, что ниже глубины изостазии недра нашей планеты ведут себя подобно жидкости, а твердые породы располагаются выше этой границы (см. предыдущую ссылку):


кора плавает в вязкой мантии в соответствии с законом Архимеда, т. е. находится в состоянии гидростатич. равновесия. [Большая Российская Энциклопедия Изостазия]

С учетом известного нам соотношения между длиной волны и глубиной ее гравитационного источника, см. Методы компьютерного зрения для решения обратной задачи геофизики, для пространственных компонент рельефа и поля силы тяжести верхняя граница фрактальности составляет примерно 150-300 км, варьируясь для разных регионов планеты. Вполне очевидно, что (сжатая вязкая) жидкость не обладает свойством фрактальности, в отличие от твердых тел, что и является причиной исчезновения эффекта.


Что интересно, известно об эффекте изостазии уже почти три столетия, и первооткрывателем был тот самый Буге (Бугер), результаты работ которого и сегодня вызывают столько недопонимания, см. Легенды и мифы геофизики:


Данные о том, что вес горного сооружения компенсируется более лёгкими массами на глубине, впервые получил П. Бугер в 1749. Проанализировав результаты экспедиции 1736, он обнаружил, что в предгорьях Анд угол уклонения отвеса от вертикали значительно меньше того, который должны создавать массы горного рельефа. [Большая Российская Энциклопедия Изостазия]

Определение границы Мохоровича (Мохо) по значениям фрактальности и корреляции пространственных спектров рельефа и силы тяжести


Обратимся снова к вышеупомянутой статье энциклопедии:


Амер. геолог Дж. Баррелл в 191415 и нидерл. геофизик Ф. Вейнинг-Мейнец в 1931 развили эту схему изостатич. компенсации. Они предположили, что верхняя часть литосферы является упругой, и использовали решение задачи об изгибе внешними силами упругой плиты, плавающей на жидком основании. [Большая Российская Энциклопедия Изостазия]

Из вышесказанного становится понятно, что фрактальность проявляется максимально для твердого слоя (земной коры), далее резко снижается для слоя упругого и совсем исчезает при переходе к вязкой магме. Граница, или подошва, твердой земной коры определяется так называемой границей Мохоровича (Мохо), и до этой границы наблюдаются высокая фрактальность и корреляция пространственных спектров силы поля тяжести и рельефа близка к единице (100%).


Посмотрим на графики из публикации Легенды и мифы геофизики:



Здесь правый график является диагональным сечением левого. Смещение в начале оси абсцисс на графиках соответствует глубине океана на рассматриваемой территории (2.5 5 км). Очень высокая корреляция (90% и выше) наблюдается до маштаба ~15 км, высокая корреляция (75% и выше) до ~35 км, и дальше наблюдается плавный спад значимости корреляции. Как мы рассмотрели ранее, масштаб, на котором исчезает значимая корреляция, и будет соответствовать достижению изостазии. Для океанского дна на рассматриваемой нами территории граница Мохо расположена на глубине 11 км согласно модели CRUST 1.0: A New Global Crustal Model at 1x1 Degrees, что соответствует длине волны 15 км, как мы и видим на графиках. Граница слоя упругости составит около 25 км (длина волны 35 км). Таким образом, по корреляции компонентов пространственных спектров поля силы тяжести и рельефа можно определить границы Мохоровича (Мохо), упругого слоя и изостазии.


Посмотрим также графики значений геологической плотности, вычисленной по фрактальной размерности батиметрии и поля силы тяжести на поверхности из того же ноутбука:



Горизонтальное смещение кривых плотности вызвано приведением поля силы тяжести к поверхности, а батиметрии, очевидно, ко дну океана. Здесь мы также легко выделяем области пространственных масштабов около 15 км и 35 км, как и на предыдущих графиках. Как будет показано далее, значение фрактальной плотности по данным рельефа является оценкой сверху для геологической плотности и при увеличении площади наблюдения при ее неоднородности приводит к систематическому завышению оценки плотности фрактальным методом.


Сила Кориолиса и фрактальность рельефа и силы тяжести


Теперь вспомним, что закон Архимеда, на который ссылается статья энциклопедии выше, является гравитационным выталкиванием (кстати, космонавты на орбите живут без силы Архимеда) и становится ясно, что вся геология определяется гравитационными и инерционными силами в твердых и жидких частях планеты. Инерционные силы, включая силу Кориолиса, чрезвычайно важны для рассмотрения как поверхностных потоков, так и мантийных плюмов и их выходов на поверхность (вулканизм). Хотя всем знакомо явление закручивания жидкости в стоках раковины или ванны, но не все знают, что это направление зависит от полушария, равно как и расположение обрывистого и пологого берегов рек. Ранее я уже показывал детальные геологические модели, и на них легко заметить асимметрию, вызванную силой Кориолиса поэтому, в зависимости от полушария, бурить следует в разных частях рудо- или нефтегазоконтролирующих структур. Кстати, это и еще один способ проверить корректность построенных моделей. Направление тектонических разломов также меняется из-за воздействия силы Кориолиса на тектонические плиты, особенно интересно это проявляется при пересечении экватора. Таким образом, на поверхности планеты появляются асимметричные фрактальные структуры рельефа и поля силы тяжести масштабов до сотен километров, при этом, направление асимметрии сохраняется и до намного больших масштабов.


Если мы рассмотрим острова Индонезии в Южном полушарии, то потоки гидротермальных растворы с минералами под действием силы Кориолиса должны отклоняться влево от направления движения. Посмотрим на региональную модель из статьи Ищем рудное золото на острове Сумбава, Индонезия:


Зная про влияние силы Кориолиса, мы делаем вывод, что гидротермальные растворы двигались из глубины в центре модели и теперь мы можем указать возможное расположение золоторудных выходов для всей западной части острова Сумбава. Из-за радиального распространения рудоконтролирующих структур без учета силы Кориолиса расположение золоторудных выходов кажется хаотическим, хотя, на самом деле, подчиняется строгой закономерности.


В Западной Сибири, расположенной в Северном полушарии, гидротермальные потоки отклоняются вправо. Вернемся к модели из статье Ударим биспектром по бездорожью, или как найти золото в Сибири:



Здесь золотое и молибденовое месторождения расположены с разных сторон выхода глубинной структуры следовательно, контролирующие их гидротермальные потоки двигались в разных направлениях и мы можем на большей модели отследить их источники и найти другие их выходы. Также имеет смысл проанализировать более детальную модель, чтобы выделить две независимые структуры, сливающиеся в единую на рассматриваемом масштабе.


Замечу, что в геологической литературе описания указанной закономерности я никогда не встречал, хотя все это очевидно из школьного курса физики если знать, на что смотреть.


И снова о редукции Бугера (Буге)


В уже упомянутой выше публикации Легенды и мифы геофизики мы показали, что на самом деле, редукция Буге не удаляет (полностью) корреляцию спектральных компонентов измеренной силы тяжести и рельефа. Стоит отметить, что основная проблема проявляется для диапазона масштабов до 20 км, что вовсе не было проблемой для самого Буге, поскольку детальность его данных была ниже и для них придуманная им редукция работала практически идеально. Поскольку это просто классический секрет Полишинеля, то придуманы и способы исправить ситуацию например, исходя из равной фрактальности рельефа и силы тяжести, можно подобрать параметры преобразования Буге, чтобы несколько уменьшить фрактальность (Miranda et al., 2015). В работе (Zhang, Featherstone, 2019) для территории Австралии методами фрактального и спектрального анализа показано, что топография, редукция Буге и аномалии в свободном воздухе имеют почти идентичные фрактальные размерности и спектры, при этом использование редукции Буге приводит к наибольшим ошибкам.


Но зачем же так нужен этот святой Грааль геофизики, идеальная редукция Буге (идеализация, которой не существует)? Ответ прост плоскую карту измеренных значений силы тяжести сложно вручную сопоставлять с плоской же картой рельефа. А результатом редукции Буге должна быть плоская карта с показанными на ней аномалиями силы тяжести, полностью соответствующими аномалиям плотности, не требующая сопоставления с рельефом. Поскольку при этом игнорируется глубинное расположение аномалий, то из-за неоднозначности по глубине, очевидно, часть аномалий плотности будут потеряны что, опять же, не представляло проблемы для самого Буге в силу масштаба его измерений (малые аномалии, которые можно было бы потерять при таком преобразовании, он просто не мог измерить).


Фрактальность рельефа, силы тяжести и снимков


При моделировании поля силы тяжести от набора гауссовых глубинных источников 3D Density Inversion by Circular Hough Transform (Focal Average) and Fractality Index оказывается, что это поле на поверхности обладает выраженной фрактальной размерностью, причем эта размерность пропорциональна распределению плотности с глубиной. Таким образом, становится ясно, что первопричиной является фрактальность гравитационного поля, которая с высочайшей корреляцией проявляется и в рельефе, следовательно, эрозионные процессы не нарушают эту взаимосвязь. Для космических или ортофотоснимков значение фрактальности оказывается выше за счет вариаций цвета, не связанных с изменениями рельефа. Выбирая подходящий спектральный диапазон, в котором поверхность имеет наименьшую спектральную размерность, мы можем оценить плотность пород поверхности. Обратимся к доступному на GitHub ноутбуку Geological Fractality on ALOS DEM AW3D30 and Sentinel-2 SUrface Reflectance Image for Ravar, Kerman Province, Iran:



Плотность, вычисленная по фрактальной размерности рельефа, равна =3200 kg/m при R=0.99, что вполне согласуется с плотностью магматических пород, образующих эту территорию. По космическому снимку значение плотности выше и составляет =3500 kg/m при R=1.00, что соответствует плотности поверхностных метаморфических пород, вероятно покрывающих часть территории. При этом следует учитывать, что индекс фрактальной размерности рассчитывается по вариации значений и систематически завышает оценку в том случае, если территория неоднородна по составу. Таким образом, полученные нами значения являются оценкой сверху. Для получения более точных значений необходимо сегментировать территорию на гомогенные участки и выполнить вычисления для них по отдельности. Кроме того, перегибы кривой фрактальной размерности пропорциональны глубинам, на которых геологическая плотность изменяется.


Заключение


Если вы все же дочитали статью до конца (надеюсь), то я искренне рад за вас! Действительно, это было не так просто ведь мы связали воедино множество подходов из разных наук, начиная от фундаментальной физики и математики, продолжая численным моделированием и заканчивая геологией и геофизикой. Теперь вы знаете множество определений и методов вычисления фрактальности, а главное видите то единственное, что есть у них общего. А еще понимаете, как и почему проявляется фрактальность в природе и, возможно, даже сможете найти золото на далеких теплых островах или в холодной Сибири по открытым данным космической съемки для геологического анализа любой детальности, воспользовавшись современной математикой и физикой для анализа негауссовых процессов и фрактальности.


Также смотрите



Ссылки


Кумулянтный анализ функционального нелинейного преобразования негауссовых случайных процессов и полей, А. А. Дубков, А. Н. Малахов, 1973. http://m.mathnet.ru/links/cd623304046883b7c36697e2e9f9b1d0/dan39067.pdf


Кумулянтный анализ случайных негауссовых процессов и их преобразований, Малахов А.Н.,1978. https://ikfia.ysn.ru/wp-content/uploads/2018/01/Malahov1978ru.pdf


Численное моделирование реализаций и спектры квазимультифрактального диффузионного процесса, А. И. Саичев, В. А. Филимонов, 2008. http://www.mathnet.ru/links/2a351947644994381a8272c4fc3ba0dd/jetpl108.pdf


Numerical simulation of the realizations and spectra of a quasi-multifractal diffusion process, A. I. Saichev & V. A. Filimonov, https://link.springer.com/article/10.1134/S0021364008090129


Gneiting, T., evkov, H. & Percival, D. B. Estimators of Fractal Dimension: Assessing the Roughness of Time Series and Spatial Data. Statist. Sci. 27, 247277 (2012).


Zhang, K. & Featherstone, W. Exploring the Detailed Structure of the Local Earths Gravity Field Using Fractal and Fourier Power Spectrum Techniques. (2019).


Miranda, S. A. et al. Fractalness of land gravity data and residual isostatic anomalies map of Argentina, Chile and western Uruguay. Geofsica internacional 54, 315322 (2015).

Подробнее..

Оцениваем открытые и коммерческие цифровые модели рельефа

18.06.2021 14:19:30 | Автор: admin

В дополнение к открытым спутниковым данным, некоторые из которых перечислены в статье Общедоступные данные дистанционного зондирования Земли: как получить и использовать, существует и множество производных продуктов например, рельеф. Притом можно найти открытый рельеф разного пространственного разрешения, равно как и множество коммерческих, и появляется задача выбрать лучший продукт из доступных.


Сегодня мы рассмотрим открыто доступный рельеф пространственным разрешением 30 м и 1 м и сравним с коммерческим разрешением 1 м. Для сравнения и оценки рельефа разного масштаба используем методы анализа пространственного спектра, неоднократно описанные в моих предыдущих статьях, например, Пространственные спектры и фрактальность рельефа, силы тяжести и снимков В силу фрактальной природы рельефа, его спектр в двойных логарифмических координатах должен совпадать с линией, и мера этого совпадения и есть качество рельефа, а разрешение, начиная с которого компоненты спектра подчиняются закону фрактальности, его реальное разрешение. Как будет показано на высокодетальном открытом рельефе, выбранный метод оценки корректен.



Спутниковая карта Google Satellite наложена на детальный рельеф USGD NED DEM 1 м


Введение


Занимаясь разными задачами (геологического) моделирования, раз за разом я сталкивался с одними и теми же проблемами в используемом рельефе (как открыто доступном, так и коммерческом). Скажем, гидродинамическое моделирование затопления местности, построение трехмерной геологической модели (решение обратной задачи), спутниковая интерферометрия все это требует знания детального рельефа местности. Но какой рельеф ни возьми, если детально его рассмотреть, мы увидим огромное количество артефактов. Пусть визуальная оценка это дело субъективное, но и в пространственных спектрах наблюдается удручающая картина.


Рассмотрим ниже некоторые принципиальные особенности цифрового рельефа и далее проверим его качество на примерах от различных производителей.


Заявленное пространственное разрешение рельефа


Пространственное разрешение рельефа, даже построенного по одним и тем же исходным данным, варьируется в широких пределах в зависимости от территории. И, тем более, разное разрешение и точность имеют результаты, полученные разными способами скажем, методом триангуляции космоснимков и с помощью лидарной съемки. К примеру, для территории США доступно множество продуктов рельефа разрешением от 1 м до 30 м, так что вся территория страны покрыта рельефом 30 м и 10 м, а часть территорий доступны с разрешением 5 м и 1 м. Таким образом, единый рельеф разрешением 1 м на всю территорию США будет синтезом разномасштабных рельефов и получившиеся детализация и точность будут варьироваться по территории. В идеале, следовало бы объединять данные в спектральной области или с использованием интерполяции методом ближайшего соседа, на практике же часто используются нелинейные методы интерполяции, так что получившийся продукт содержит широкую полосу мусорных компонент пространственного спектра. При взгляде на такой рельеф становится понятно, что выглядит он как-то не так, но точную оценку можно получить лишь при анализе его пространственного спектра.


Заявленная вертикальная точность рельефа


Точность рельефа может определяться совершенно разными способами, например, как величина ошибки относительно набора референсных точек на поверхности или относительно исходных данных (вопрос точности которых это совсем другая история). Точность может указываться и так, к примеру: ошибка не более 5 м, что на самом деле означает ошибку не более 5 м с доверительным интервалом 95% (или другим), то есть вовсе не гарантирует точность 5 м для любого отдельно взятого пиксела или участка. Поскольку точность оценивается для отдельных пикселов и отдельных участков, для которых есть точные отметки высот, то в пределах большой территории может сильно варьироваться. Например, если 99% рельефа занимает плоская равнина с малыми перепадами высот и, следовательно, высокоточным рельефом, то оставшийся 1% рельефа может иметь точность в 100 раз худшую. Поэтому рельеф заявленной точности 5 м доступен на всю территорию планеты, а 10 см точности только выборочно. Но и это еще не все. Точность рельефа видимой поверхности (Digital Surface Model, DSM) соотносится к точности использованных для создания рельефа данных к измеренной поверхности (в зависимости от местности это может быть лес или скалы и так далее), так что при другом ветре и в другой сезон измеренные значения окажутся далеко за пределами заявленной точности. В случае же рельефа непосредственно поверхности планеты (Digital Terrain Model, DTM) есть разные методы исключения растительности (даже трава и кустарник дают погрешность по высоте более 10 см, не говоря про деревья), а оценка точности производится, как правило, по некоторым референсным точкам только на открытой местности.


Оценка реального пространственного разрешения рельефа


Поскольку и пространственному разрешению рельефа доверять нельзя, то нужны методы для объективной оценки чтобы корректно сравнить набор разных рельефов, зачастую, построенных разными способами. Одним из простых и надежных является метод анализа пространственного спектра для определения реального разрешения такого, что детали меньшего масштаба не являются достоверными. Поскольку ожидаемая форма спектра рельефа для всех масштабов определяется его фрактальной размерностью, то реальное пространственное разрешение рельефа равно минимальному масштабу, на котором его фрактальный спектр не искажен.


Оценка вертикальной точности рельефа


При выполнении анализа и обработки рельефа в частотной области, или домене (Frequency domain) вертикальная точность определяется шириной спектра. Обрезание спектра по реальному разрешению рельефа не изменяет его точности, поскольку обрезаемые компоненты не достоверны и не могут систематически улучшать оцениваемую точность. Это дает следующий критерий корректности величина отклонения рельефа с обрезанным спектром от исходного не должна превышать заявленную точность исходного рельефа. Далее, при наличии референсных наземных точек или точного рельефа (для отдельных участков) можно оценить рельеф стандартным способом вычисления ошибок. Кроме того, возможно использование спутниковой интерферометрии для вычисления вертикальных смещений точек поверхности между двумя моментами времени и сравнение этих смещений для двух рельефов, построенных по тем же данным радарной съемки и для тех же моментов времени.


Глобальный рельеф всей планеты ALOS World 3D 30m (AW3D30) вертикальной точностью 5 м, построенный методом триангуляции. Реальное разрешение 30 м


Это комбинированный открытый продукт размером около 220 ГБ, доступный на сайте производителя ALOS World 3D 30m (AW3D30) и на платформе Google Earth Engine (GEE) как ALOS DSM: Global 30m. Комбинированный он потому, что использует для заполнения пропущенных значений рельефы SRTM 30m, ASTER DEM и другие. На мой взгляд, является лучшим из открытых глобально доступных. Если SRTM содержит серьезные пиксельные артефакты, а ASTER DEM буквально кляксы некорректно интерполированных значений, то ALOS практически не грешит подобными проблемами. Анализ пространственного спектра в Python ноутбуке показывает следующий результат:



Для пространственного спектра рассматриваемого рельефа в двойных логарифмических координатах коэффициент детерминации R-квадрат равен 98% для масштаба от 30 метров. Таким образом, этот рельеф явно получен из более детального и действительно, поставщик также предлагает коммерческий рельеф разрешением 5 м и все той же вертикальной точностью 5 м.


Коммерческий рельеф 1 м, построенный методом триангуляции. Реальное разрешение skipped


Образец коммерческого рельефа со спутникового аппарата Pliades от компании Airbus DS Geo SA получен с официального сайта Elevation1 DSM + Pliades Ortho 0.5m pan-sharpened (Orthoimage included). Для целей тестирования я выбрал участок горной местности почти без техногенных объектов. Обратим внимание на лицензионное соглашение, которое разрешает только внутреннюю техническую оценку продукта ("to use the PRODUCT for internal technical evaluation purposes only") и запрещает публикацию любых результатов ("any derivative product or information"). В связи с этим, я опубликую только Python ноутбук, который вы можете запустить для собственной "внутренней технической оценки продукта", согласно лицензии, и получить точное значение пространственного разрешения. Обратите внимание, что отметка 60 м на графике пространственного разрешения в коде ноутбука поставлена исключительно для удобства оценки фрактальности спектра и я не несу ответственности за то, что она может вам показаться равной реальному пространственному разрешению рассматриваемого рельефа.


Аналогичная картина и со многими другими коммерческими продуктами рельефа, когда производители всеми способами скрывают информацию о реальном качестве их продуктов.


Рельеф США USGD NED DEM 1 м вертикальным разрешением 10 см, построенный по данным лидарной съемки. Реальное разрешение около 2 м


Предоставляется на Amazon AWS Staged Products Directory в виде ~7700 исходных zip архивов общим объемом около 1 ТБ и распакованным размером 1.7 ТБ. Реальная карта покрытия составляет примерно половину от официально заявленной я скачал все тайлы и сделал карту покрытия, на которой оказалось, что многие тайлы целиком или существенно перекрываются (хотя не должны, по документации перекрытие соседних тайлов составляет ровно 6 граничных пикселов). Содержит заметные пиксельные артефакты, но качество впечатляет по сравнению с рельефом, построенным методом триангуляции снимков. Анализ пространственного спектра в Python ноутбуке показывает следующий результат:



Для пространственного спектра рассматриваемого рельефа в двойных логарифмических координатах коэффициент детерминации R-квадрат равен 98% для масштаба от 2х метров (для масштаба от 4х метров R-квадрат равен 99%). Таким образом, как и следует из теории, точный рельеф фрактален на всех масштабах.


Заключение


С помощью качественного рельефа высокого разрешения можно выполнить гидродинамическое моделирование на поверхности, смотрите Гидродинамическое моделирование (CFD) на рельефе с помощью MantaFlow и визуализация результатов в ParaView, и построить детальные геологические модели как показано в статье Построение достоверных геологических моделей. При использовании методов фрактальной математики становится возможным выделение рудных объектов метрового масштаба, см. Пространственные спектры и фрактальность рельефа, силы тяжести и снимков. Также детальный рельеф помогает, при определенных условиях, уточнить спутниковые интерферограммы и получить более детальную картину отражения сейсмических волн от глубинных объектов и более точную модель смещений поверхности, см. Геология XXI века как наука данных о Земле и Вычислительная геология и визуализация.


В следующей статье мы рассмотрим синтез высокодетального рельефа по общедоступным открытым данным, используя статистические методы. В самом деле, нам доступны серии радарных и оптических космических снимков разрешением от 5 м, и улучшение открытого глобального рельефа 30 м до разрешения снимков выглядит очень заманчиво. Вот мы и проверим, как и насколько это возможно сделать.


Также смотрите


Подробнее..

Луна или Марс какая цель перспективней для пилотируемых исследований?

31.05.2021 06:09:55 | Автор: admin


С полётов Аполлонов к Луне прошло уже больше полувека, но человечеству так и не удалось повторить тот результат, хотя сейчас мы, вероятно, ближе всего к этому за прошедшее время. Но так ли ценен возврат на Луну? Нет ли у нас другой, более важной цели? С существующими технологиями человек может достигнуть поверхности двух тел Солнечной системы: Луны и Марса. И сегодня я постараюсь сравнить преимущества и недостатки от полёта человека на эти небесных тела.

Введение

Начать, пожалуй, стоит с ответа на вопрос: зачем вообще куда-нибудь лететь, если на Земле не решены все проблемы? Хотя чаще всего этот вопрос встречается именно в таком формате, но в таком виде он просто лишён всякого смысла. Ведь, во-первых, космонавтика в том числе и используется для решения множества земных проблем от предсказания погоды и навигации, до телевещания и обеспечения связи в удалённых регионах. А, во-вторых, как это обстоит и с любой научной сферой, мы не можем точно предсказать долгосрочной выгоды от инвестиций в космонавтику. Что ни сколь не оправдывает отказа от инвестиций в неё и науку в целом. И тем не менее некоторую потенциальную пользу от освоения того или иного небесного тела мы можем назвать уже сейчас, с чего бы я и предложил начать сравнение. Потенциал от пилотируемых исследований Луны и Марса можно разбить на 4 основных направления: научные исследования, использование местных ресурсов, технический прогресс и вдохновение людей.

Научные исследования


Космонавтика стала причиной появления множества технологий, используемых сейчас на Земле.

В плане геологических исследований Марс является намного более перспективным объектом, так как активные геологические процессы там шли в разы дольше чем на Луне. А по последним данным, они продолжаются даже сейчас (против оценки в менее 50 млн лет для подобной активности на Луне). В тоже время с нашего естественного спутника уже было доставлено около 384 кг образцов из десятка интересовавших учёных мест, причём часть из них была надолго законсервирована и продолжает распаковываться до сих пор. С Марса же пока не было доставлено никаких образцов, и по текущем планам Китая и США это должно случиться лишь в 2030/2031 годах.

Отчасти задача геологических исследований уже решается марсоходами, но в этом плане остаётся другая ещё более интересующая учёных и даже широкую общественность задача поиск внеземной жизни. Об отсутствии жизни на Луне в настоящем времени стало понятно к полёту Аполлона-15, для которого уже не применяли послеполётного карантина. Шансы обнаружить жизнь на Марсе в настоящем тоже невелики, но они сохраняются. Кроме того, там намного большие шансы обнаружить признаки существовавшей жизни в прошлом, в связи с тем, что жидкая вода на Марсе существовала больше того времени, которое потребовалось для зарождения жизни на Земле. А условия для существования жизни под поверхностью Марса продолжают сохраняться и сейчас, что оставляет больше шансов обнаружить её в почти не повреждённом состоянии.

Причём даже планируемые сейчас к доставке на Землю образцы с Марса будут всё ещё бесполезны для прямых поисков жизни, как пока и не способны заниматься ими датчики существующих марсоходов. На современном уровне автоматизации серьёзно заниматься поисками следов жизни способны только люди. И с учётом того, что люди гораздо охотнее выделяют средства на проекты в которых задействованы другие люди (для сравнения достаточно посмотреть на порядок отличающиеся расходы на программы Аполлон/МКС и телескопы Хаббл/Джеймс Уэбб) то, на мой взгляд, поиски жизни на Марсе имеют наибольшие шансы получить достаточное финансирование и поддержку в обществе, для того чтобы человечество смогло сделать следующий крупный шаг в освоении космоса.

Следующее интересное и жизненно важное для нас направление исследований изучение планетарного климата и влияния на него внешних факторов, подобных человеку. В этом плане для нас наиболее интересны Венера и Марс, но последний привлекателен ещё и тем, что на нём можно без гигантских затрат провести натурный эксперимент по глобальному изменению климата. Исследования климата имеют огромный потенциал по снижению расходов здесь, на Земле, так как лучше понимание лимитов выбросов парниковых газов и способов влияния на климат позволит тратить меньше средств на борьбу с изменениями земного климата.

Другое важное направление, о котором всегда забывают, является проведение экспериментов в невесомости. Обычно в книгах и фильмах участников экспедиции к Марсу изображают скучающими всё время перелёта в ожидании высадки, а после завершения операций на планете и взлёта столько же бесплодно ждущими возврата обратно. Однако добавив не так уж и много научного оборудования и расходных материалов к тому что уже будет на борту корабля для работы на красной планете, экипажи марсианских экспедиций смогут проводить почти полный спектр экспериментов, которые сейчас идут на МКС. Полёт же к Луне занимает только около 3 дней, чего недостаточно для проведения значительной доли от подобных экспериментов. Кроме того, лунные корабли просто не предусматривают доставки вместе с космонавтами такого же большого объёма полезного груза, которые планируются для марсианских.

Использование ресурсов

Гелий-3 давно прочат в главный ресурс для решения земных энергетических проблем, а лунную воду в роли водород-кислородного топлива в решение проблемы освоения человечеством Солнечной системы. Но возможно ли это в реальности?

Добывать лунный гелий-3 впервые предложили 35 лет назад и с тех пор создают под эту цель технологические проекты различной степени проработанности. Однако ни один из них так и не вышел из стадии бумажного концепта. И для этого есть вполне прозаичная причина: даже если бы сейчас перед нами лежали безграничные запасы бережно упакованного гелия-3, мы не смогли бы получить из него ни капли энергии. Ведь сейчас у нас в наличии есть только испытательный реактор ИТЭР 1-го поколения, способный вырабатывать энергию из самой простой термоядерной реакции дейтерия с тритием. На основе него планируется построить коммерческий реактор DEMO на той же реакции не ранее середины этого века. А для зажигания же реакции с участием гелия-3 требуются на порядок более сложно достижимые условия. И ждать их достижения, вероятно, придётся ещё несколько десятилетий сверх того.



А тем временем возобновляемые источники энергии уже вышли в 2019 году на выработку 26% от всей электроэнергии на планете и вскоре могут сделать не актуальной проблему исчерпания ископаемого топлива на Земле. Так что к тому моменту, когда сможет быть налажено серийное производство коммерческих термоядерных реакторов 2-го поколения, нужда в них может отпасть в принципе. В то же время марсианская вода содержит в 5 раз больше дейтерия чем земная. А для получения метан-кислородного топлива придётся проводить электролиз больших объёмов воды, что и является основной расходной статьёй при получении дейтерия на Земле. Таким образом для земной энергетики Марс имеет все шансы стать полезным гораздо раньше Луны, в то время как наша соседка рискует оказаться вовсе бесполезной.

По использованию лунной воды в качестве топлива существует 2 сценария: с заправкой топливом на низкой орбите Луны или Земли.

I) Для выхода на лунную орбиту требуется иметь запас характеристической скорости в 4 км/с, а для отправления к Марсу 3,5-4 км/с (в зависимости от дня старта и взаимоположения Земли и Марса в этом стартовом окне) и ещё примерно 0,5 км/с требуется для пилотируемых полётов (сокращения времени перелёта с 9 до 6 месяцев). Таким образом для освоения Марса Луна попросту бесполезна, а других целей для полномасштабного освоения у нас на ближайшее время не предвидится.

II) Для полёта с поверхности Луны на низкую земную орбиту требуется иметь запас характеристической скорости (delta-V) в размере 5,9 км/с, и столько же нужно для возврата обратно. Возьмём для примера характеристики водород-кислородного разгонного блока Центавр: его сухая масса 2,03 тонны, полная 22,83 тонн, удельный импульс двигателя 450,5 секунд. Подставив эти цифры в формулу Циолковского мы получим, что Центавру просто не удастся долететь с поверхности Луны до Земли и вернуться на Луну обратно. Выходом из этой проблемы может быть использование на танкере электроракетных двигателей для полётов между орбитами или использование 2-х типов танкеров (курсирующих между поверхностью Луны/её орбитой и курсирующих между орбитами Луны/Земли). 1-й вариант плох тем, что будет требовать постоянного снабжения танкеров топливом для электроракетных двигателей с Земли (так как на Луне благородные газы фактически не встречаются), а 2-й вариант плох тем, что удваивает число танкеров и заправок, что увеличивает накладные расходы и снижает общую надёжность системы.

Кроме того, при танкерах, создаваемых на современных технологиях, на каждую тонну полезного топлива в 1-м варианте впустую на перелёты у нас будет уходить около 10 тонн, а при 2-м варианте 3 тонны лунного топлива и 300 кг благородных газов с Земли. Использование аэроторможения о земную атмосферу может улучшить характеристики обоих вариантов, но не сможет кардинально изменить ситуацию, так как необходимость наличия при этом теплового щита съест значительную часть от этой выгоды. Также в сравнении с Центавром мы не учитывали, что танкер должен будет иметь посадочные опоры и систему охлаждения топлива (термостатирования), либо вместо неё нам в расчёты придётся добавить расходы топлива на выкипание в процессе перелётов.

При этом нам также необходимо учитывать то, что текущие разведанные объёмы лунного водяного льда составляют 600 млн тонн, расположенных в ближайших метрах от поверхности, но разбросанных в разных кратерах в радиусе около 300 км вокруг лунных полюсов. Можно с уверенностью предполагать, что запасы воды в глубинах Луны в несколько раз больше этого. Но необходимо также учитывать, что не всё даже из уже разведанного запаса легкодоступно или просто пригодно для промышленной добычи. И если мы планируем использовать Луну в качестве банальной бензоколонки, да ещё и с таким низким КПД мы рискуем быстро исчерпать эти запасы, сделав дальнейшее освоение Луны практически бессмысленным занятием.

Технический прогресс

Условия на Марсе намного более схожи с земными, что оставляет больше шансов на применение испытанных там технологий в дальнейшем на Земле. Так, например, технология добычи воды из атмосферы Марса имеет все шансы оказаться применимой в пустынях и засушливых регионах Земли, с минимальными доработками. В то время как технология добычи лунного льда в условиях вакуума и почти абсолютного температурного нуля не выглядит для землян сколь-либо полезной. Кроме того, крупная колония на Марсе может стать серьёзным стимулом для развития таких технологий, как ядерные и термоядерные ракетные двигатели, которые могут использоваться не только для сокращения времени перелёта туда вплоть до недель, но и позволить доставлять грузы на Марс в любое время года. Для освоения же Луны с её стабильным 3-дневным перелётом в одну сторону, такого запроса попросту не возникнет.

Вдохновение людей

Хотя на Эвересте побывали уже тысячи человек, это, однако, ни сколь не мешает людям платить по около $50 тыс. за восхождение туда и ежегодно погибать при этом (кстати, сделанная Илоном Маском оценка нижней планки стоимости полёта на Марс составляет всего в 2-4 раза больше этого, а соответствующий риск гибели в районе 1% может быть обеспечен даже в первых полётах). Но людей тем не менее намного больше вдохновляют исследования тех мест, на которые ещё не ступала нога человека. И хотя на полюсах Луны не высаживались пока даже беспилотные аппараты, Марс намного лучше подходит на эту роль. Кроме того, на Марсе людей ожидают гораздо более разнообразные пейзажи, за исследованиями которых будет интереснее наблюдать.

Расход топлива для перелёта

Первая проблема, которую нужно решить при освоении любого небесного тела доставка на него грузов. Даже если в перспективе мы планируем максимально использовать местные ресурсы, для начала мы должны доставить большой объём оборудования для их добычи. И если весь путь до поверхности Луны необходимо проводить за счёт расходов ракетного топлива, на что требуется дельта в 5,9 км/с, то в случае с Марсом нам нужно 3,5-4 км/с для отправления туда и 0,9-1,15 км/с плюс тепловой щит для посадки. В зависимости от конструкции корабля вес щита покрывает лишние лунные 0,75-1,5 км/с.



Однако если беспилотные миссии практически не требуют затрат во время перелётов, то с пилотируемыми всё обстоит гораздо сложнее. Человеку требуется постоянное снабжение кислородом, водой и едой, так же, как и определённое жилое пространство и защита от радиации. Согласно расчётам РКК Энергия, каждому члену экипажа требуется около 10 кг припасов в сутки при открытой системе жизнеобеспечения и 2 кг при частично-закрытой (при этом сами такие системы весят по 10 и 100 кг на человека соответственно). С учётом времени перелёта, это оборачивается расходами массы в 80 кг/чел в случае Луны и 820 кг/чел для Марса. Кроме того, по оценкам NASA при полёте к Луне достаточно объёма корабля в 3,5 м3 на человека, в то время как для Марса нужно почти 10 м3. С учётом того что лунный возвратный корабль требует 45 кг массы на каждый кубометр объёма против почти 216 кг у марсианского (так как предсказывать солнечные вспышки на 3 дня вперёд космонавтика уже научилась, а вот марсианскому кораблю без защиты от них никак не обойтись) то масса перелётных кораблей получится равной 160/2136 кг в случае Луны/Марса соответственно.

Однако в этом сравнении для Марса не всё так безнадёжно, как могло бы показаться на первый взгляд! Во-первых, указанная выше масса припасов прекрасно может подойти на роль радиационной защиты, оставаясь при этом пригодной для употребления. Во-вторых, на эту роль также подходит и научное оборудование и по крайней мере часть из образцов для экспериментов. Ну и в-третьих, не вся площадь корабля обязательно должна иметь радиационную защиту. А если мы ограничимся средней массой конструкции на уровне модулей МКС (имеющих массу около 67 кг на 1 м3), то масса марсианского корабля составит уже только 670 кг/чел. Таким образом суммарно у нас выходит 80+160=240 кг/чел для полёта к Луне и 820+670=1490 кг/чел для Марса. Всё ещё очень много, но нам нужно ещё учитывать следующий пункт.

Радиация на поверхности

Марсианская атмосфера составляет меньше 1% от земной и кажется бесполезной для создания какой-либо защиты. Однако это не так. Её толщина составляет 16-21 г/см2 в зените и до более чем 100 г/см2 у горизонта, что намного больше защиты в 10-15 г/см2 у модулей МКС. Луна же будет защищать космонавтов от космической радиации только в нижней полусфере, также как это будет на Марсе и происходит сейчас на МКС, благодаря её низкой орбите. Из-за этого получаемая на поверхности Луны без защиты доза может достигать 840 мЗв/год во время солнечного минимума (худший сценарий) и будет составлять в среднем около 500 мЗв/год под защитой сопоставимой с модулями МКС. Это гораздо больше получаемых космонавтами на МКС 160-320 мЗв/год (во время солнечного максимума/минимума соответственно) и измеренных марсоходом Кьюриосити 234 мЗв/год (без защиты, но во время солнечного максимума).

Таким образом единственным преимуществом Луны в плане радиации оказывается то, что в случае создания постоянной базы её радиационная защита сможет быть использована повторно. Но при высадках по типу Аполлонов её всё равно придётся тащить с собой каждый раз. Просто обойтись без неё никак не получится, так как в таком случае любая солнечная вспышка в направлении Луны будет вынуждать экстренно прерывать лунные миссии. К тому же из-за весьма низкой защиты скафандров от радиации выход с Лунной базы во время вспышек для космонавтов будет недоступен (что необходимо учитывать при расчётах надёжности её оборудования), в то время как на Марсе это будет нежелательным лишь в полуденные часы.

На среднюю и дальнюю перспективу лунные и марсианские базы будет разумным защищать при помощи местного грунта. И здесь небольшое преимущество оказывается за Марсом, благодаря тому что его более насыщенная водою почва позволяет обходиться в 1,5-2 раза меньшим (по массе) слоем грунта для обеспечения такого же уровня защиты.

Микрометеоритная опасность

Согласно оценкам, за год на Луну выпадает около 25 млн микрометеоритов с общей массой 1800 тонн, пиком массы около 15 микрограмм и средней скоростью в 13,3 км/с (по этим оценкам на площадь в 150 м2 приходится по удару микрометеорита с диаметром 0,5 мм раз в год). Среди них также встречается и >6,4 тыс. более крупных объектов (удары которых способен различить телескоп с разрешением 0,5 м) и >27 крупных объектов, оставляющих кратеры с диаметром 3-43 метра. Марс же имеет достаточно плотную атмосферу, чтобы полностью защитить от объектов с массой от 10 грамм до 1 тонны (в зависимости от скорости и угла входа их в атмосферу). И так как скафандры способны защитить только от объектов менее 1 грамма массы, микрометеоритная защита (составлявшая в скафандре программы Аполлон целых 13 слоёв) на Марсе будут попросту не нужна. По данным обсерватории MRO, на Марс выпадает только 200 метеоритов и комет за год, что близко к показателям Земли, на которую выпадает порядка 500 штук метеоритов за год (при в 3,5 раза большей площади поверхности).

Таким образом марсианский транспорт и даже не жизненно важная инфраструктура и здания могут обходиться без метеоритной защиты, в то время как на Луне её должно иметь практически всё, включая скафандры.

Окружающая среда


Температурные перепады по данным посадочного аппарата Викинга-1.

Лунное притяжение составляет 16,5% от земного, в то время как на Марсе это 37,9%. Температура на полюсах Луны варьируются от -250C до +120C, что гораздо больше марсианских перепадов от -110C до +35C в умеренных широтах (куда планируется доставлять людей). Марс, в свою очередь, знаменит своими пылевыми бурями, которые могут длиться многими неделями, снижая производительность солнечных батарей и понижая максимальную температуру на поверхности (но при этом и повышая минимальную, оставляя среднюю дневную температуру почти неизменной). На самом деле пыль на Луне также присутствует благодаря электростатическим силам, но её объёмы значительно меньше марсианских, хотя при этом она намного более абразивна, чем и опасна для движущихся деталей техники и человеческих лёгких. Также на Луне полностью отсутствует магнитное поле (которое по некоторым предположениям требуется для поддержания здоровья человека), в то время как на Марсе существуют его слабые очаги. Лунный день длится 29,53 земных дня, в то время как для Марса это 1,026 суток.

Производство энергии

Первую проблему, которую нужно будет решать, добравшись до небесного тела, будет получение тепла и электричества. Энергия требуется практически для любых операций, и от степени её доступности будет зависеть то, сколь энергоёмкие процессы получения других ресурсов нам будут доступны. В зависимости от времени года поверхность Луны достигает 1322-1414 Вт/м2 против 493-716 Вт/м2 в случае с Марсом. С учётом ещё и наличия на Луне пиков вечного света, кажется что у нас есть победитель в этом сравнении? На самом деле далеко ещё нет, ведь из-за наклонения оси вращения Луны на 5,15 лучший из подобных пиков ежемесячно оказывается в тени на не менее чем 24 часа. И с учётом того, что солнечные батареи сравниваются по массе с буферными электрическими уже примерно после 1 часа работы, для систем требующих непрерывного снабжения электричеством масса самих солнечных батарей перестаёт иметь какое-либо значение, а преимущество Марса перед Луной оказывается двукратным.

Обойти эту проблему можно было бы либо разместив солнечные батареи на разных склонах кратеров и соединив их многокилометровыми кабелями с базой, либо подняв солнечные батареи выше уровня тени (а по оценкам в местах с залежами воды это около 800 метров). Оба варианта требуют огромных инвестиций учитывая то, что микрометеоритная опасность и перепады температур вынуждают закапывать лунные линии электропередач в грунт, а вышки строить с большим дублированием опор и перекладин (либо навешивать на них микрометеоритную защиту, что растрачивает значительную долю от преимущества низкой гравитации Луны).

Проблему марсианской пыли, в свою очередь, гораздо проще решить, так как даже без разработки системы электростатического отталкивания пыли (которая пригодится и на Луне) эту проблему можно решить в лоб 3-кратным увеличением солнечных батарей в размерах. Это кажется большим недостатком, но при сравнении часть от него съест необходимость закладывать для лунных солнечных батарей запас на деградацию под действием повышенной радиации и механических повреждений микрометеоритами.



Производительность солнечных батарей марсохода Оппортьюнити за 8-й 12-й годы его пребывания на Марсе: с изначального уровня около 900 Вт*ч она никогда серьёзно не опускалась ниже 30%.

В плане использования ядерной энергии в обоих случаях реакторы будут иметь почти одинаковую массу, так как их прочностные характеристики будут определяться не местной гравитацией, а необходимостью пережить перегрузки при старте с Земли, с которой они будут экспортироваться в обозримом будущем.

Получение топлива

Самый большой по массе ресурс, который космонавтам придётся добывать в ближайшей перспективе это топливо для отправления кораблей обратно на Землю. В связи с отсутствием легкодоступного углерода на Луне, основным вариантом топлива для неё рассматривается кислород-водородное, в то время как для Марса наиболее перспективным выглядит кислород-метановая смесь. В обоих случаях используется реакция электролиза воды (2H2O 2H2 + O2) потребляющая 4,41 кВт*ч/кг, в то время как для получения метана также используется реакция Сабатье (CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O) идущая с выделением энергии. Для водород-кислорода оптимальным соотношением топлива и окислителя является 1 к 4, в то время как вода содержит 1/9 массовую часть водорода и 8/9 кислорода. В результате этого в лишний кислород уходит 4/9=44,4% массы, в то время как полезное топливо составляет 5/9=55,6% от массы электролизуемой воды. Расход электроэнергии при этом составляет 7,94 кВт*ч на 1 кг получаемого топлива.

Для метан-кислорода же оптимальным является соотношение 1 к 3,2, в то время как после прохождения через электролиз и реакцию Сабатье соотношение метана к кислороду оказывается 1 к 4. Так что и здесь у нас образуется большой избыток кислорода, который может покрывать все потребности систем жизнеобеспечения базы в кислороде. При этом благодаря добавлению в реакцию углекислого газа выход топлива получается равным 187% от массы расходуемой в реакциях воды в 3,36 раза лучше лунного показателя. Расход электроэнергии при этом составляют 4,73 кВт*ч/кг или в 1,68 раза лучше Луны. Кроме этого водород необходимо хранить при температуре ниже -253C (и даже так он остаётся менее плотным), в то время как метану требуется -162C, а кислороду достаточно -90C. Поэтому для водорода требуются намного более сложные и дорогие многоступенчатые системы охлаждения, большие баки и более толстая теплоизоляция.

Тем не менее водород-кислородное топливо даёт на 23,4% больший удельный импульс, нежели водород-метановое. Это позволяет расходовать меньше топлива на набор той же скорости и оправдывает применение водорода при необходимости набора очень больших значений delta-V. Однако даже если мы учтём, что вторая космическая скорость для Луны/Марса составляет 2,38/5,03 км/с, масса топлива для их набора составит соответственно 41,4/75,1% достаточно чтобы покрыть разницу в расходах на электролиз, но недостаточно для покрытия больших расходов на добычу воды на Луне. Вкупе с тем, что атмосфера Марса содержит большое количество аргона, пригодного для использования в электроракетных двигателях (имеющих импульс в несколько раз больше водород-кислорода) у Луны фактически не оказывается преимуществ перед Марсом в роли заправочной станции. Но при этом Луна серьёзно проигрывает по разнообразию типов топлива и способов его добычи.

Вода и газы для атмосферы базы

Небесное тело Земля Марс Луна
Содержание воды у экватора 1-100% 2-7% 0,01-0,14%
Содержание воды на полюсах 100% до 70% 6%
Общий запас разведанной воды, тонн 1,3*1018 4,6*1015 6*106
Слой которым ей можно покрыть поверхность 2,6 км 35 м 0,015 мм

Как показывают орбитальные наблюдения, концентрация воды в местах потенциальных высадок людей на Марсе может превосходить лунные показатели в 2-3 раза. А так как расходы рабочего времени космонавтов на земляные работы и расходы энергии на выпаривание воды из грунта почти прямо пропорциональны её массе, на добычу воды на Луне будет уходить примерно в 2 раза больше ресурсов. Однако больший расход энергии может быть в какой-то степени компенсирован при использовании зеркальных концентраторов света, которые на Луне будут легче по массе и смогут работать всё светлое время суток, в то время как на Марсе они не смогут работать во время пылевых бурь. В свою очередь атмосфера Марса содержит воду в концентрации 210 ppm (частей на миллион) что можно использовать в качестве резервного источника водя для систем жизнеобеспечения. По данным посадочной платформы Викинга-2, такой способ обойдётся в 17 кВт*ч энергии на получение 1 кг воды.

По оценкам NASA, при каждом выходе космонавтов на поверхность расходуется около 1,2 кг газов на шлюзование в 2-местном шлюзе (с учётом потерь при возврате, столько уйдёт на каждого космонавта за раз), а также 0,09 кг/час кислорода на дыхание и 0,34 кг/час воды для системы терморегулирования (также на каждого). Кроме этого, на утечки из жилых отсеков будет тратиться ещё примерно 0,15 кг/сутки газов. Получение кислорода для нас не вызывает никаких проблем, так как кроме производства топлива его можно получать из лунного реголита (который содержит его в количестве >40%), а на Марсе его также можно добывать из атмосферного углекислого газа и NASA уже опробовало эту технологию в боевых условиях.

Но если мы планируем использовать на Луне атмосферу схожую с МКС, то это обернётся для нас потерями азота в количестве около 1,5 кг в сутки. Что является серьёзной проблемой, так как лунный реголит настолько беден соединениями азота, что в тонне грунта его встречается лишь около 40-120 грамм. Атмосфера же Марса содержит 1,9% азота, так что его получение там не составляет большого труда.

Выращивание еды


Прототип надувной теплицы с биорегенеративной системой жизнеобеспечения от Университета Аризоны.

Симулянт марсианского грунта в исследованиях показывает лучшие результаты роста растений чем грунт со дна земной реки, в то время как лунный симулянт даёт худшие показатели. Кроме того, солнечные сутки длиною в месяц и отсутствие у лунных прозрачных куполов способности обеспечить достаточную защиту для растений от солнечных вспышек, оставляет лунную базу с единственным вариантом выращивания еды при искусственном освещении (которое обходится в целых 100-625 кВт*ч энергии на выращивание 1 кг биомассы, из которой значительная доля приходится на непригодную для еду ботву). Отсутствие на Луне азота также означает, что требуемые на 1 космонавта в год 90-100 кг удобрений придётся экспортировать на Луну с Земли (хотя переработка ботвы может позволить сократить эти расходы).

На Марсе же, в свою очередь, существует проблема повышенной концентрации перхлоратов в грунте, которая, однако, довольно легко решается выращиванием 1-го урожая особых растений, которые всасывают их избыток в себя и затем выбрасываются.

Радиосвязь

Почти половина лунной поверхности постоянно видна с поверхности Земли. Однако это не относится к лунным полюсам, гористая структура которых периодически оказывается невидна из-за лунных либраций. Таким образом, если мы хотим обеспечить экипажи исследующие лунные полюса постоянной и надёжной связью с Землёй и Лунной базой, нам придётся запускать по крайней мере 6 спутников связи на высокоэллиптическую лунную орбиту. На Марсе же, с другой стороны, база должна располагаться достаточно близко к экватору, чтобы 1-м геостационарным спутником покрыть все нужды связи космонавтов с базой, а их парой нужды по связи базы с Землёй. Кроме того, на Марсе в качестве резервной системы можно использовать длинноволновую связь, основанную на отражении сигнала от ионосферы планеты, которой Луна попросту не имеет.

Космических туризм

В плане туризма Луна, с её 3-дневным перелётом в одну сторону, смотрится намного привлекательнее Марса, перелёт к которому в лучшем случае будет занимать более 3 месяцев. Однако за 20 лет существования космического туризма на МКС побывало лишь 7 туристов, а за 17 лет предложений облёта Луны РКК Энергия так и не нашла достаточного количества желающих, для того чтобы оправдать расходы на создание лунной версии Союза. С освобождением мест в российских кораблях от астронавтов NASA и началом полётов Crew Dragon нас может ожидать своеобразный ренессанс в этой области.

Но он объясняется десятилетним отсутствием предложения на этом рынке и не может быть обоснованием для определения перспектив космического туризма, пока спустя пару лет мы не увидим поведения спроса в стабильных условиях. Скорее всего он окажется меньше, но даже при текущих показателях около десятка туристов в год при цене около $50 млн за билет не может покрыть сколь-либо значительную долю от общих расходов на создание лунной или марсианской базы (правды ради эти $0,5 млрд в год выглядят несерьёзными даже для поддержания работы МКС, на что уходит порядка $6 млрд).

Заключение




Как было показано выше, Луна проигрывает Марсу по большинству параметров. И манящая простота доступа туда оборачивается сложностями при попытке сделать практически каждый следующий шаг, как только мы туда доберёмся. Вкупе с меньшими потенциальными выгодами это означает, что при выборе Луны в качестве следующей цели для пилотируемых полётов у нас оказывается гораздо больше шансов откатиться с неё обратно, как уже произошло ранее. И, к сожалению, за прошедшие полвека в этом плане практически ничего не поменялось, чтобы могло внушить оптимизм в этот раз.

Попытки же чиновников NASA оправдания полётов на Луну по программе Артемида отработкой технологий для Марса, на деле не выдерживают никакой критики. Так как, во-первых, всё отправляемое в космос оборудование всё равно должно проходить отработку на Земле, а, во-вторых, условия на Луне столь сильно отличаются в худшую сторону, что это приведёт к бессмысленному усложнению и удорожанию и без того не дешёвого оборудования для Марса. Вкупе с тем, что добавление Луны удорожает весь проект в целом и оттягивает на годы выполнение главной цели высадку людей на красной планете это резко снижает шансы реализации подобной программы (а обещания остаться на Луне на постоянно и вовсе означают перманентное оттягивание от Марса львиной доли финансирования, сводя эти шансы к нулю). Фактически NASA уже несколько раз проходила через подобные отмены проектов начиная с 90-х годов, и весьма печально, что 30-летняя история так ничему их и не научила.

Всем нам популяризаторам и просто поклонникам космонавтики хотелось бы видеть гигантские базы, работающие на Луне, Марсе и даже Титане, во благо науки и всего человечества в целом. Но реальность такова, что человечество пока не готово тратить сколь-либо существенные суммы на этом поприще: все государственные расходы на космонавтику составляют около 0,05% мирового ВВП, а на коммерческую космонавтику приходится лишь в 3 раза больше. И в такой ситуации у нас с трудом может хватить средств даже на освоение одного небесного тела, не говоря уже о нескольких. Поэтому выбрать следующую цель нам нужно с большим умом, чтобы не потерять из-за неправильного выбора очередную половину века.
Подробнее..

Термоядерный синтез все реальнее MAST, EAST и ITER, дейтерий-тритиевые эксперименты и другие достижения

06.06.2021 02:04:52 | Автор: admin

Термоядерные реакторы существуют десятки лет, но управляемая термоядерная реакция все это время оставалась недостижимой. Она постоянно находилась в ближайшем будущем, ученые говорили: Через 10 лет, скорее всего, мы достигнем успеха. Но проходило десять лет, и ничего не менялось по-прежнему публиковались научно-популярные статьи, где говорилось все о том же сроке в 10 лет.

Сейчас, насколько можно судить, многое изменилось разработчики термоядерных установок достигли действительно заметных успехов. Речь идет как о новых реакторах, так и об уже существующих. В целом, вероятность того, что управляемый термоядерный синтез станет реальностью в течение ближайших нескольких лет, достаточно высокая. Давайте оценим успехи ученых последних лет и посмотрим, что там планируется.

Модернизированный сферический токамак MAST возобновил работу


В конце мая снова начал работу сферический токамак MAST (Mega Ampere Spherical Tokamak). Камера у этой установки не очень большая диаметр 4 метра. Последние несколько месяцев систему модифицировали, включая оптимизацию систему охлаждения плазмы до ее сброса. Возможно, этот реактор послужит прототипом для небольших, но эффективных систем будущего.


К слову, сам токамак из Британии совсем не нов его сборка стартовала в 1997 году, а работать он начал два года спустя. Проблемой стал небольшой размер камеры из-за этого разогретая свыше сотни млн кельвинов плазма разрушала вольфрамовые плитки.

В 2013 году команда поняла, что установку нужно модернизировать. Правительство выделило деньги, около 55 млн фунтов, и началась реконструкция. Завершена она была лишь в октябре 2020 года, после чего последовал период тестирования. Токамак подвергся многочисленным проверкам, и лишь в 2021 году его приняли в эксплуатацию.


В итоге проблемы разрушения плиток удалось избежать. А плазма теперь при сбросе понижает температуру с сотни млн C до всего 300 C.

В прошлом году британские физики начали работу над еще одним проектом токамаком STEP (Spherical Tokamak for Energy Production).

Проект ITER продвигается к завершению



В прошлом году в исследовательском центре Кадараш во Франции стартовало строительство экспериментальной термоядерной установки ITER. Это масштабный проект, в котором принимают участие специалисты из самых разных стран, включая ЕС, Индию, Китай, Южную Корею, Россию, США и Японию.

Реактор представляет собой цилиндр диаметром 28 метров, высотой 29 метров и весом 23 000 тонн. Размещается система в железобетонном объекте с длиной 120 метров, шириной 80 метров и высотой 80 метров.

Несмотря на некоторые проблемы, проект постепенно продвигается к завершению. Через четыре года разработчики планируют получить первую плазму. В течение десяти лет ученые будут проводить эксперименты, подводя работу к главному результату получению управляемой термоядерной реакции.

Если все пройдет хорошо, то где-то в 2035 году появятся первые коммерческие реакторы DEMO.


Этим летом (т.е. 2021 г.) проводятся эксперименты с новой смесью для термоядерного реактора ITER. Речь идет о дейтерий-тритиевой смеси, которая будет использоваться в качестве основного топлива для реактора". Испытания смеси будут проходить в Великобритании на площадке JET (Joint European Torus Объединенный европейский токамак).


Этот реактор работающая модель ITER с размером в 1/10 от размера полномасштабной установки. Если все пройдет хорошо с JET значит, не должно быть проблем и с его старшим братом. Эксперименты JET позволят увидеть, как будет вести себя плазма и какие сложности могут возникнуть. В ходе испытаний ученые используют не более 60 гр трития при температуре плазмы в 150 млн К именно такая температура требуется для старта синтеза.

У JET весьма неплохие показатели отношение затраченной на разогрев плазмы энергии к полученной энергии составляет 0,67. Для того, чтобы получить коммерческую систему, этот коэффициент, Q, должен быть больше единицы. Для того, чтобы отбить затраты и стать экономически выгодным проектом, Q должен быть равным или превышать 25. Авторы проекта ITER считают, что его Q будет не менее 10.

EAST ставит рекорды


Как уже писали на Хабре, китайским ученым удалось побить рекорд корейцев по удержанию сверхгорячей плазмы. Команда термоядерного реактора EAST смогла добиться невиданных доселе результатов удержания плазмы с температурой 160 млн К в течение 20 секунд. Плазму с температурой в 120 млн К они удерживали 101 секунду. Это уже очень близко к порогу термоядерного синтеза речь идет не о долях секунды, а о десятках секунд.

Для того, чтобы началась реакция термоядерного синтеза в установке, плазму температурой в 150 млн К нужно удерживать около 300-400 секунд.


EAST тоже токамак, отличающийся от большинства похожих конструкций наличием полностью сверхпроводящей магнитной системы на основе ниобий-титановых проводников. При этом большой радиус камеры составляет всего 1,7 метра, то есть диаметр даже меньше, чем у британской установки, о которой говорилось выше 3,4 метра вместо 4. И проблем с разрушением вольфрамовых плиток, насколько можно судить, у китайцев нет.

Стелларатор W7-X


Кроме токамаков, есть и термоядерные установки с иной конфигурацией. Например, стеллараторы. Форма магнитной катушки таких установок как бы повторяет конфигурацию нагретой плазмы, что позволяет не бороться с плазмой, а просто использовать ее особенности.


Установка Wendelstein 7-X (W7-X) современный стелларатор, построенный по последнему слову термоядерных технологий. Конструкция стелларатора постепенно оптимизируется, в планах создателей обеспечить работу системы вплоть до 30 минут, что, конечно, гораздо лучше любых рекордов токамаков.

Wendelstein 7-X (W7-X) предназначен, в первую очередь, быть proof of concept, показав жизнеспособность конструкции получать энергию с его помощью не планируется. К сожалению, из-за пандемии эксперименты с системой отложены минимум на год. Работа возобновится не ранее следующего года.

Осторожный оптимизм


Несмотря на все эти успехи, все равно не стоит считать, что термояд уже у человечества в кармане. Предстоит решить еще очень много проблем, причем в будущем могут возникнуть новые.

Тем не менее, сейчас ученые достигли немалых успехов, изучением возможностей термоядерного синтеза заняты ученые многих стран. Это уже не парочка проектов, как пару десятков лет назад. При этом регулярно появляются новые системы как токамаки, так и альтернативы.

Китайская установка вселяет уверенность в том, что цели, которые ставят перед собой ученые, будут решены в ближайшем будущем. При этом есть надежда и на ITER с его дейтерий-тритиевым топливом.

Если W7-X покажет хорошие результаты кто знает, может, именно стеллараторы вырвут победу, а токамаки останутся позади.

В любом случае, термоядерный синтез привлек внимание не только ученых, но и правительств крупнейших государств мира. И вряд ли это внимание, интерес, ослабнут. Скорее наоборот будут лишь усиливаться.

Подробнее..

Из классической механики получили квантовую. Опять

09.06.2021 12:21:23 | Автор: admin

Всем известно, что классическая механика является предельным случаем квантовой с одной стороны и теории относительности с другой. Последние две наиболее точно описывают реальность, в то время как первая считается лишь удобным частным случаем. Из квантовой физики можно получить классическую, но не наоборот.

Еще один важный момент заключается в том, что многими по умолчанию подразумевается полнота волновой функции и фундаментальность уравнения Шредингера.

Таким образом, основные физические законы, необходимые для математической теории значительной части физики и всей химии, полностью известны, и трудность заключается лишь в том, что точное применение этих законов приводит к уравнениям, которые слишком сложны, чтобы быть разрешимыми. Поэтому становится желательным разработать приближенные практические методы применения квантовой механики, которые могут привести к объяснению основных особенностей сложных атомных систем без слишком больших вычислений.

П. Дирак

Но догмы имеют обыденность рушиться: теоремы о запрете признаются несостоятельными, скрытые переменные (как локальные так и не очень) имеют место быть, энтропия замкнутой системы может уменьшаться, а убеждения касательно кривизны вселенной регулярно обламываются новыми измерениями.


С момента создания квантовой механики и до сих пор продолжаются дискуссии об онтологии теории и ее интерпретациях. Онтологическая проблема особенно ярко проявляется в вопросе об измерении. Поэтому понимание физического смысла волновой функции имеет первостепенное значение. А чтобы понять волновую функцию, нужно понять уравнения квантовой физики.

Знаменитое уравнение Шредингера математически близко к обычному уравнению диффузии. Главное отличие в том, что время становится мнимым, то есть происходит поворот Вика. Это означает, что классическое и квантовое частично связаны поворотом на 90 градусов в комплексной плоскости (умножением на мнимую единицу). Уравнение Шредингера задается:

i\hslash \frac{\partial \Psi}{\partial t}=-\,\frac{{\hslash }^{2}}{2m}\Delta \Psi + V \Psi

(Сопутствующий философский бред можно найти в эмоциональной статье)

Ричард Фейнман в своих знаменитых лекциях писал:

Мы не хотим, чтобы вы думали, что мы вывели уравнение Шредингера, но хотим показать вам лишь способ рассуждения. Когда Шредингер впервые записал его, он дал своего рода вывод, основанный на некоторых эвристических аргументах и блестящих интуитивных догадках. Некоторые из аргументов, которые он использовал, были даже ложными, но это не имеет значения; важно только то, что конечное уравнение дает правильное описание природы. [Фейнман, Лекции по физике, II-14.1]

В литературе приводится множество эвристических способов обоснования уравнения, но в целом оно вводится как один из постулатов квантовой механики. Тем не менее недавняя статья из Nature, указывает на то, что последовательный аналитический вывод вполне осуществим.

Статья начинается с классической механики, где частицы при движении стараются минимизировать действие. С одной маленькой оговорочкой они претерпевают марковскую диффузию. То есть вносится стохастика с сопутствующими случайными силами.

Затем, крайне непринужденно просуммировав пути (а ля фейнмановские интегралы по траекториям) и подняв теорию стохастического оптимального контроля, разумеется, с оглядкой на релятивистскую инвариантность, авторы получают уравнение Гамильтона-Якоби-Беллмана

\frac{\partial J}{\partial \tau }+i(K-V)+\frac{1}{2}{\sigma }^{2}{\nabla }_{\mu }{\nabla }^{\mu }J=0

При этом они постоянно заостряют внимание, что вместо того, чтобы постулировать правила подстановки операторов, вывод происходит полностью осмысленным образом.

На Хабре в комментах часто проскакивают очень умные мысли нам хочется линейных дифуров. Тогда у нас будут плюшки типа суперпозиции, интерференции и линейной алгебры с разложением на собственные функции и спектральной теорией. Поэтому авторы подбирают коэффициент последнего слагаемого (сигма в квадрате) предвосхищая линейность.

Затем шаг за шагом осуществляется переход:

уравнение Гамильтона-Якоби-Беллмана -> уравнение Штекельберга -> телеграфные уравнения -> уравнения Клейна-Гордона, Дирака и нерелятивистское Шредингера.

И это восхитительно!

Во первых, мнимая природа различных переменных в квантовой механике автоматически выходит из структурой метрики Минковского. Причем авторы надеются в дальнейшем установить волновое уравнение в общем искривленном пространстве-времени. И такое обобщение метрики "возможно, было бы способом объединить общую теорию относительности и квантовую механику".

Во вторых, можно вспомнить, что происхождение правила Борна до сих пор выглядит неоднозначным. Хотя, в многомировой, клеточно-автоматной, волно-пилотной и еще в некоторых интерпретациях оно всплывает так или иначе как побочный продукт. Здесь же правило Борна естественным образом связано с реальной частью минимального ожидаемого действия. "Процесс пространственно-временной диффузии проходит по маршруту, который сводит к минимуму ожидаемое действие; в этом суть того, как вероятность (перехода) связана с минимизацией энергии."

В третьих, подход придерживается реалистической философии квантовой механики, где реальность существует независимо от наблюдателя. Что это значит для нас?

Вспомним двухщелевой эксперимент Юнга. Интерференция света или, что еще более умозрительно, интерференция волн на поверхности жидкости вполне спокойно понимается и принимается. Но когда одиночные частицы начинают постепенно вырисовывать полосатую картину на экране, наступает разрыв шаблона.

В прошлом веке, когда у европейского общества еще не прошла эйфория после свержения божественного фатализма, философская мысль продолжала укреплять образ человека как центра вселенной. Вкупе с достижениями в области исследований разума и нахлынувшим интересом к восточной культуре, в зарождающейся квантовой физике начало возобладать представление об особой роли наблюдателя. Всю информацию о любой системе можно поместить в волновую функцию, а она в свою очередь подчиняется уравнению Шредингера фундаментальному закону, который на удивление точно согласовался с экспериментами. Разумеется, в рамках плотностей вероятности. А реальность уже возникает в глазах смотрящего (или в душе разумеющего).

Такой взгляд сильно импонирует человеческому эго и поэтому нашел обширное распространение. Но некоторых раздражал такого рода отупляющий солипсизм. В конечном счете, коллапс наведенный разумным наблюдателем был признан нефизичным, и на его место пришла декогеренция. Тем не менее новая Копенгагенская интерпретация советует избегать вопросов о реальности, прежде чем произойдет измерение-декогеренция.

Но с прагматических позиций реализм более предпочтителен. Именно поэтому, например, бомовская интерпретация набирает популярность: частицы реально существуют и у них есть траектории, что помогает в расчетах и легче для восприятия. Так что обсуждаемая статья ближе всего к таким траекторным представлениям.

Траектории частиц в двухщелевом экспериментеТраектории частиц в двухщелевом эксперименте

(Методику построения траекторий см. в приложении)

В теории волны-пилота частицы подчиняются нелокальному действию квантового потенциала. А показанная выше модель предполагает, что исследуемая частица движется под действием внешней случайной силы пространства-времени. Здесь нет волн коллапсирующих в частицы. Частицы просто взаимодействуют с некоторыми скрытыми степенями свободы, по жизни двигаясь зигзагами. Волновые паттерны возникают из коллективного поведения миллионов частиц. А волновая функция лишь описывает эти паттерны.

Такое случайное движение частицы индуцирует распределение вероятностей перехода. Это означает, что квантовую механику можно понимать как статистическую теорию. О причинах случайной силы будут еще много спорить, но авторы предлагают перебиться пока парочкой вариантов (раз, два).

Можно было бы сделать предположение, что квантовая механика или квантовая теория поля это всего лишь феноменологическая теория, и причина статистической природы лежит в стохастической природе самого пространства-времени. Если пространство-время и его метрика стохастичны в масштабах Планка, это может создать иллюзию случайного движения, которое может быть феноменологически смоделировано с помощью стохастических дифференциальных уравнений в пространстве-времени. В соответствии с общей теорией относительности это, по сути, может означать, что источники энергии в пространстве-времени имеют случайный характер, который может быть вызван различными возмущениями, такими как колебание вакуума или излучение нулевого поля.

Дальнейшее чтиво

  • Здесь можно посмотреть более популярный обзор обсуждаемой статьи.

  • Далее читаем рассуждения о верности уравнения Шредингера. В принципе, на него уже давно прицепляют всяческие довески: нелинейность, память, стохастичность, так что фундаментальность это больше вопрос веры.

  • Стохастическая квантовая механика выделена в отдельную интерпретацию. Вообще, эта тема была популярна в 60-х. Чего стоит зашкварная статья, где уравнение Шредингера вывели из ньютоновской механики (правда там тоже было броуновское движение). По ней до сих пор плодятся трибьюты (раз, два, три, четыре, пять). Следует также отметить, что недавно было показано, что знаменитые соотношения неопределенности Гейзенберга в целом присущи стохастическим системам, и, как видится, они не являются уникальными для квантово-механических систем.

  • Конечно, можно зайти и со стороны электродинамики. Вот из свеженького.

  • Герард `т Хоофт (продвигающий интерпретацию клеточных автоматов) пару месяцев назад выпустил препринт, где квантовая механика эмерджентно выходит из классической. Кто знает, может его быстрые переменные и будут играть роль случайных сил. И до кучи вспоминаем, что на гравитацию тоже начинают поглядывать с эмерджентных позиций.

Стохастическое уравнение Ланжевена воспроизводит плотности вероятности для осциллятора МорзеСтохастическое уравнение Ланжевена воспроизводит плотности вероятности для осциллятора Морзе

(Подробности см. в статье)

Дальше, в предложенных статьях расшариваем список литературы и Cited by, чтобы окончательно убедиться, что по теме идут серьезные сподвижки. То ли классическая детерминистичная механика ушла на задний план в ожидании когда подтянется матаппарат статистики и клеточных автоматов, чтобы затем вновь вернуться на периферию философской мысли. То ли научное сообщество устало бороться с контринтуитивностью и готово принять любую модель подразумевающую комфортную математику и простоту в объяснениях. Ответ узнают наши потомки на лекциях по философии науки.

Подробнее..

Линейные двигатели внутреннего сгорания в роли портативных источников энергии и не только

18.06.2021 10:22:12 | Автор: admin


Более 100 лет известен такой механизм, как двигатель внутреннего сгорания.

Двигатели данного типа применяются повсеместно, как наиболее распространённый способ преобразования химической энергии в механическое движение.

Однако существует еще один вид совершенно замечательного двигателя который называется линейным двигателем внутреннего сгорания. Простота устройства, высокая скорость работы и эффективность делают такой двигатель весьма перспективным, для использования в рамках множества задач.

Все двигатели внутреннего сгорания можно условно подразделить на три крупных вида:

1) двухтактные:

image

в них процесс осуществления полезной работы и наполнения цилиндра двигателя новой порцией смеси для сжигания, производится за 2 движения поршня. При движении поршня вниз производится полезная работа, при движении его в обратном направлении, то есть верх, осуществляется сжатие поступивший смеси, для последующего её сжигания;

2) четырехтактные:

image

в них процесс осуществления полезной работы, продувка цилиндра от продуктов сгорания и заполнение его новой порцией смеси, осуществляется за 4 движения поршня:
  • при первом движении поршня вниз, осуществляется полезная работа;
  • при последующем движении поршня вверх, происходит продувка цилиндра от продуктов сгорания;
  • при втором движении поршня вниз, осуществляется заполнение цилиндра свежей порцией смеси;
  • при последующем втором движении поршня вверх, происходит сжатие поступившей свежей смеси, для последующего её сжигания.


3) дизельные двигатели:

image

суть которых заключается в том, что сжигание смеси происходит за счёт резкого повышения давления, а следовательно и температуры, которая собственно и поджигает поступившую в цилиндр смесь.

Кроме того, существуют различные комбинации между этими перечисленными выше тремя видами. Однако, несмотря на попытки инженеров как-то скомбинировать эти три подхода, в основном, прижились именно они, в чистом виде.

Несмотря на широкое распространение двигателей внутреннего сгорания, существует один особый подвид двигателей, который хоть и не получил широкое распространение (на которое он вправе рассчитывать), тем не менее, в некоторых сферах он всё равно применяется.

Это двигатели внутреннего сгорания линейного типа:

Суть таких двигателей заключается в том, что они существенно проще классических двигателей внутреннего сгорания. Проще потому, что в их конструкции полностью исключена такая массивная и сложная система деталей, как кривошипно-шатунный механизм.

Оппозитный поршневой двигатель с внешним сжатием
image

Двигатель с противоположным поршнем и внутренним сжатием
image
Однопоршневой двигатель одностороннего действия с возвратным механизмом
image

Свободнопоршневой двигатель
image

Свободнопоршневой двигатель двойного действия
image

В обычных двигателях данный механизм служит для того, чтобы произвести полезную работу, а также вернуть поршень в изначальное положение, которое он занимал до начала движения.

Система получается достаточно стабильной, прогнозируемой, может быть легко настраиваемой.

Однако, такое усложнение системы не проходит даром, это приводит к тому, что существенно усложняется механизм в целом, утяжеляется двигатель, возникают разнообразные паразитные явления, которые приводят к повышенному износу цилиндро-поршневой группы.

Среди таких явлений можно назвать знакопеременные нагрузки на поршень, которые оказывают на него раскачивающие движения влево/вправо. Данные движения приводят к повышенному износу поршня и цилиндра.

Кроме того, наличие больших вращающихся масс, приводит к паразитным вибрациям, которые расшатывают конструкцию в целом и увеличивают затраты энергии на осуществление движения.

В отличие от таких классических двигателей, линейные двигатели внутреннего сгорания лишены всех этих недостатков: по своей сути, они представляют собой просто поршень, движущийся прямолинейно и не имеющий каких-либо кривошипно-шатунных механизмов.

Каким же тогда образом, поршень возвращается в первоначальное положение? Для этого существует множество схем.

Среди наиболее распространенных подходов, применяются:
  1. использование противоположной рабочему цилиндру камеры, в качестве газовой пружины;
  2. уравновешивание одного поршня другим, точно таким же поршнем, движущимся в противоположном направлении;
  3. связывание двух поршней движущихся в противоположных направлениях жёсткой рычажной сцепкой;
  4. отсутствие какого-либо балансирования движущегося поршня, за счёт того, что вся система установлена на жестком массивном основании. Это позволяет гасить возникающие вибрации;
  5. иные конструкции, а также комбинации всего вышеперечисленного.


Линейный двигатель внутреннего сгорания позволяет очень легко реализовать эффективный генератор электрического тока.



По сути, для создания такого генератора необходимо просто быстро перемещать, закреплённый на связанной с поршнем оси, сильный магнит, сквозь кольцевую обмотку статора, например, как в этом трясущемся фонарике:

image

Благодаря своей простоте, данные двигатели могут развивать достаточно большие скорости. В частности, имеется информация о достижении такими двигателями частоты в 390 Герц (390 движений поршня в секунду и, соответственно, 23400 в минуту).





Кроме того, двигатели данного типа могут быть использованы в качестве компактных и мощных источников энергии, достаточно простой конструкции. Именно это привлекает к данным двигателям повышенное внимание оборонной промышленности по всему миру.

Некоторые исследователи проводят достаточно интересные опыты, которые позволяют детально оценить эффективность таких двигателей.

В частности, группой учёных была проведена серия работ, направленная на исследование применимости линейных двигателей в военных нуждах.

Исследователи во главу угла ставили возможность создания миниатюрных систем и возможность обеспечивать высокую плотность хранимой энергии, несмотря на свои небольшие размеры.

Для этого был разработан двухтактный двигатель линейного типа, который для возврата поршня в изначальное положение использовал в пружину, с прямоугольным сечением проволоки в ней.

image
(Источник картинки: "4" в списке использованных источников, под этой статьёй)

Тесты показали, что генераторы данного типа обладают очень большим потенциалом. А именно, они могут работать на очень большой частоте, в течение продолжительного времени.

image
Генератор на 300 ватт и на 5 ватт в сравнении со стандартной батарейкой, формата АА (Источник картинки: "4" в списке использованных источников, под этой статьёй)

В ходе поставленного эксперимента, показанный на рисунке генератор, мощностью 5-10 Вт, проработал в течение 100 часов, работая с частотой в 390 Герц. При этом КПД генератора составил 90%.

В ходе тестирования были выявлены следующие существенные моменты:
  • из-за отсутствия жесткой связи с отсутствующей кривошипно-шатунной системой, генератор имеет переменную степень сжатия, которая позволяет ему легко работать с разными видами топлива, в режиме цикла Дизеля. Другими словами, двигатель может легко воспламенять любое топливо, используя в качестве зажигающего воздействия высокую температуру от сжатия;
  • благодаря отсутствию знакопеременных нагрузок, раскачивающего типа, которые являются одними из основных, в стандартных двигателях с кривошипно-шатунным механизмом, данный генератор может хорошо работать с минимальной смазкой или совсем без оной;
  • плотность энергии, хранимой в качестве химического топлива и вырабатываемая с использованием данного генератора, превосходит как аккумуляторные батареи любого типа, так и топливные элементы;
  • миниатюрность размеров, высокая плотность хранения энергии, дешевизна производства делают генераторы такого типа особенно привлекательными для использования их в качестве миниатюрных источников энергии, для небольших летающих дронов военного назначения.


image
Плотность хранимой энергии, по сравнению с перезаряжаемыми аккумуляторами

Почему же, при таких очевидных преимуществах такого типа двигателей, они не получили широкого распространения и не вытеснили так хорошо известные нам двигатели с кривошипно-шатунным механизмом?

Наверное, ответ здесь заключается в том, что мир стал в определенной степени заложником сложившейся инфраструктуры, крупномасштабных производств и сети сервисных компаний, ориентированных на работу с классическими двигателями внутреннего сгорания.

Это одна сторона проблемы, вторая заключается в том, что линейный двигатель внутреннего сгорания постоянно находится в зоне риска. Это проявляется в том, что двигатели постоянно балансирует на грани разрушения.

Этот риск является следствием того, что быстро движущийся поршень не имеет, как правило, какого-либо физического ограничителя (конструкции двигателей, которые требуют жесткой сцепки между поршнями, мы сейчас осознанно опустим, так как любой инженер, старается использовать все преимущества такого типа двигателей).

А для этого требуется отказаться от каких-либо жестких сцепок и заставить двигатель работать исключительно с помощью контроля его движения с применением разнообразных факторов: сжимающихся газовых пружин; синхронно движущихся в разных направлениях и так же синхронно сходящихся в центре уравновешенных поршней и т.д.

Нетрудно заметить из данного описания, что осуществление четкой синхронизации и контролируемого течения данного процесса, является весьма нетривиальной задачей и решается с переменным успехом.

При выходе же данного процесса из-под контроля, это сразу же приведет к разрушению одного или нескольких поршней, а также цилиндров (ввиду удара поршней в соответствующие донышки цилиндров).

Если же полностью отказаться от идеи устранения вибраций такого двигателя, используя одноцилиндровую схему, это приведет к возникновению сильных вибраций, которые должны быть погашены массивным основанием.

Есть ещё одна неочевидная проблема, которая касается сложности пуска двигателей данного типа (мы ведь не забыли, что стараемся выжать из двигателя всё, поэтому мы не используем каких-либо жестких сцепок).

Обычно, пуск двигателя такого типа осуществляется с использованием импульса сжатого воздуха.

Все эти причины в своей совокупности, сдерживают широкое распространение этих двигателей на коммерческом рынке.

Однако, в последнее время, ввиду широкого распространения разнообразных микроконтроллеров, делаются попытки по электронно-компьютерному контролю процессов, протекающих в двигателе рассматриваемого типа.

В частности, наблюдаются следующие подходы:
  1. ШИМ-контроль, когда для управления движением поршней, используется электрогенератор, связанный с движущимся поршнем или поршнями, использующийся в данный момент, в качестве подруливающего электродвигателя;
  2. установка точного времени впрыска и зажигания смеси в цилиндр. Современные средства позволяют достаточно точно контролировать местоположение поршня, давление в конкретном цилиндре, а также гарантировано осуществить зажигание смеси. Для этого могут быть использованы разнообразные датчики движения, давления, свечи поверхностного разряда, а также использование в конструкции цилиндров интегрированных в конструкцию цилиндров форкамер (данные камеры упрощают зажигание смеси);
  3. наиболее экзотическим из данного списка, является использование электромагнитных впускных и выпускных клапанов, которое позволяет четко контролировать момент и объем впускаемой/выпускаемой смеси. Данное направление является достаточно экстравагантным, хотя и применяется некоторыми компаниями в составе особо прогрессивных двигателей, используемых, в частности, в гонках формулы-1.


Таким образом, как можно видеть, использование линейных двигателей внутреннего сгорания в качестве генераторов электрического тока является весьма интересным и перспективным.

Однако не стоит считать, что линейные двигатели являются исключительно прерогативой научных коллективов и не выходят за пределы секретных лабораторий.

Многие любители достаточно успешно и легко строят свои действующие модели такого типа двигателей, используя в качестве цилиндров стеклянные трубки, а в качестве поршней графитовые бобышки.

Например, следующий автор, видео которого приведены ниже, строит двигатели именно такого типа, для собственного удовольствия.

В качестве источника искры, используется электронная плата от зажигалки для газовой плиты:



Здесь следует сделать примечание: не все зажигалки для газовых кухонных плит используют пьезоэлектрический либо сетевой электрический источник получения электрической искры. Некоторые зажигалки используют в качестве такого источника маломощные платы, питаемые от одной батарейки размера АА, содержащие повышающую напряжение схему.



Кроме этого, достаточно давно некоторые компании выпускают трамбовки для дорог, которые базируются на двухтактных двигателях внутреннего сгорания. По своей сути, данные устройства являются не чем иным, как линейным двигателем, только используются в сугубо утилитарных целях, далеких от высоких технологий:







В целом, можно резюмировать, что разработка подобных линейных двигателей внутреннего сгорания является весьма перспективным занятием. В случае, если этим занимаются любители, данное занятие может быть весьма увлекательным и можно разработать свой собственный миниатюрный двигатель, буквально карманного формата (особенно это легко, при наличии своего токарного станка по металлу)!

Такой двигатель может стать хорошим подспорьем, в получении электроэнергии, при нахождении в местах, далеких от цивилизации.

Только помните, что если этот двигатель будет использоваться для генерации электроэнергии, и будет содержать электрогенератор на постоянных магнитах, данное устройство должно очень хорошо охлаждаться, так как магниты имеют характеристику, называемую точка Кюри, то есть это температура, при которой магнит размагничивается.

Так как разработчик электрогенератора вряд ли ставит своей целью системно размагничивать магниты, ему стоит учитывать этот существенный момент.

Использованные источники:

1. www.wikipedia.org
2. www.freikolben.ch/lineargeneratoren.shtml
3. www.freikolben.ch/basics-de.shtml
4. Miniature Internal Combustion Engine-Generator For High Energy Density Portable Power
Kurt D. Annen*, David B. Stickler, and Jim Woodroffe
Aerodyne Research, Inc
Billerica, MA 01821



Облачные серверы от Маклауд быстрые и безопасные.

Зарегистрируйтесь по ссылке выше или кликнув на баннер и получите 10% скидку на первый месяц аренды сервера любой конфигурации!

Подробнее..

RET-моторы антенн сотовой связи. Оптимизация в радость

29.05.2021 16:20:40 | Автор: admin

Одна из важнейших задач инженера по планированию сотовой связи является оптимизация существующей сети для увеличения пропускной способности и улучшения качества обслуживания. Это включает, в первую очередь, борьбу с шумом и помехами снижающими пропускную способность на секторных антеннах. Если работа приёмопередатчика в норме, КСВ в антенно-фидерном тракте не превышает допустимого значения, отсутствует пассивная интермодуляция, а шумы и помехи не исчезают, то может помочь смена электрического угла наклона антенны. А так как подобрать сразу нужное оптимальное значение угла наклона не всегда удаётся, приходится выставлять разные значения и на основе KPI и сбора статистики основных параметров радиосигнала, искать правильное значение. Это требует времени, да и к тому же регулярно отправлять специалиста на базовую станцию для смены угла довольно затратно. Это можно сделать и удалённо, если на антеннах установлены RET Remote Electrical Tilt.


Электрика и механика


Наклон антенны является важным действием, контролирующим фокус радиосвязи. Самый простой способ манипуляции с наклоном антенн это механический, когда антенна физически устанавливается под определённым углом к горизонтальной плоскости. Как правило, в зависимости от рельефа местности, антенны на базовых станциях по умолчанию устанавливаются под углом в 90 градусов (значение угла наклона будет считаться равным 0) по отношению к земле. Механическое управление проще и дешевле реализовать, но это часто приводит к искажению формы диаграммы направленности из-за влияния конструктивных частей инфраструктуры.


Пример электрических углов, выставленных вручную. 1 стандарт GSM900, 2 DCS1800, 3 шток управления электрического угла

В сотовых сетях механический наклон почти всегда фиксирован, тогда как электрический угол наклона периодически меняется. Им можно управлять с помощью дистанционных механизмов и датчиков положения, что существенно снижает эксплуатационные расходы. Удаленный электрический угол наклона обозначается аббревиатурой RET и является частью открытой спецификации Antenna Interface Standards Group интерфейса для управления антенными устройствами.

В антеннах сотовой связи наклон электрического угла предпочтителен, чем механический, поскольку не вызывает искажения формы диаграммы направленности в горизонтальной плоскости и коэффициента усиления антенны, что позволяет обеспечивать заданную концентрацию мощности излучения по периметру зоны покрытия. Использование чисто электрического наклона без механического является привлекательным выбором также и по эстетическим причинам, когда используются встроенные антенны, антенны замаскированные под деревья или как часть конструкции здания в общественных местах и т.д.


RET смонтированный дополнительно


RET встроенный изготовителем в саму антенну

Немного об устройстве антенн


Антенны выпускаются, как с фиксированным электрическим углом наклона, так и с возможностью его регулирования на месте или дистанционно. Для дистанционного управления, как уже говорилось, используются специальные модули (RET), подключаемые ко встроенным фазовращателям. Управление модулями осуществляется с блока управления, располагаемого на БС (редко) или от общей системы управления сетью, что позволяет динамически менять значение угла наклона в зависимости от нагрузки на конкретный сектор базовой станции.

Современный антенный блок представляет собой группу излучающих элементов антенной решетки. Расстояние между элементами решетки выбирается таким образом, чтобы получить наименьший уровень боковых лепестков диаграммы направленности. Наиболее часто встречаются длины панельных антенн от 0,7 до 2,6 метров (для многодиапазонных антенных панелей). Коэффициент усиления варьируется от 12 до 20 dBi.


Диаграмма направленности

Принципиальное отличие антенн при организации системы регулировки электрического наклона ДН состоит в конструкции регулируемого фазовращателя. Одни производители используют линейные устройства сдвига фазы, другие поворотные.



Блок-схема секторной антенны

Например, в антеннах Powerwave регулятор представляет собой параллельные полосковые линии на единой печатной плате, над которыми перемещается пластина из диэлектрика. При перемещении пластины изменяется диэлектрическая проницаемость линии, и, следовательно, скорость распространения волны в ней. При введении диэлектрика в линию скорость волны замедляется, что приводит к запаздыванию фазы сигнала и наоборот. Шток управления жёстко соединён с пластиной, т.к. линейное перемещение пластины из диэлектрика плавно изменяет фазу питания элементов антенны.


В антеннах Andrew используется подобная система, однако устройство состоит из отдельных полосковых линий, рассредоточенных по корпусу антенны, приводимых в действие системой рычагов.



Поворотное устройство изменения фазы антенны Kathrein

В конструкции дипольных панельных антенн часто встречаются поворотные устройства изменения фазы (например, в антеннах Kathrein). Полный диапазон регулировки угла электрического наклона ДН антенны соответствует углу поворота фазовращателя примерно на 90. Для растяжения шкалы регулировки, используется сложный механический привод с системой рычагов (и даже с червячной передачей). Это усложняет конструкцию антенны, снижает механическую надёжность привода, а главное, точность установки электрического угла наклона ДН антенны.


Механический привод устройства изменения фазы антенны Kathrein

AISG


RET-контроллер отправляет команды на моторизованный привод антенны, который изменяет электрический угол наклона, регулируя фазовращатель. Различные устройства системы RET подключены к контроллеру с помощью кабелей управления. Несколько приводов могут быть объединены либо кабелями управления с их последовательным соединением, либо с помощью распределительных коробок. К базовой станции система RET подключается либо через единственный кабель управления, либо по линии передачи RF через умные тройники AISG. Все выпускающиеся передатчики (RRU/RSU) сотовой связи, которые и являются контроллерами RET, имеют AISG-порта для подключения RET-моторов.


Мониторинг RET

Кабели управления AISG подают данные и питание от контроллера к составным частям. Длина кабелей варьируется от 0,50 м до 100 м, каждый кабель заканчивается разъемами типа папа и мама.


Привод (actuator) RET


AISG-кабели

Иногда механический и электрический наклон могут использоваться вместе для создания большего наклона луча в одном направлении, чтобы приспособиться к необычной специфике местности. И вместе они могут создавать почти бесконечные комбинации трехмерных диаграмм направленности для любой ситуации.

Но RET не единственное, чем может похвастаться стандарт AISG. Стандарт AISG 2.0 был выпущен более 10 лет назад. За это время конструкция базовых станций и устройство антенн на площадке стали более сложными. Появилась возможность для управления и использования многодиапазонной многолинейной антенной системы для нескольких базовых станций одного или разных операторов. Есть возможность менять не только электрический угол наклона, но и менять дистанционно механический угол, а также азимут направленности антенн.
В ноябре 2018 года официально был выпущен стандарт AISG 3.0. Версия AISG 3.0 также включает функции, которые уже существовали в AISG v2.0, но и расширения типа RAE (eAntenna), GLS (датчик географического местоположения) и ASD (устройство датчика выравнивания).



На правах рекламы


Наши эпичные серверы прекрасно подойдут для любых целей и представителям любых профессий. Создание VDS любой конфигурации в течение минуты, в том числе серверов для хранения большого объёма данных до 4000 ГБ.

Присоединяйтесь к нашему чату в Telegram.

Подробнее..

Обзор и тест RadiaCode-101 портативный дозиметр-радиометр-спектрометр

26.05.2021 22:23:37 | Автор: admin

Предыстория

В феврале только что наступившего 2021 года российская компания Скан-Электроникс открывает предзаказ на новинку в мире дозиметров: сцинтилляционный дозиметр-радиометр-спектрометр RadiaCode-101, а в марте прибор уже выходит на рынок. Прибор был куплен мною, и тестировался на протяжении месяца до написания обзора (обзор не рекламный, это мое личное мнение о приборе, приправленное характеристиками). Прибор находится еще в довольно "сыром" виде, и данный обзор демонстрирует состояние на конец мая 2021, в дальнейшем, возможно, будут дополнения к основной части.

Обзор прибора

Дозиметр-радиометр-спектрометр RadiaCode-101 является сцинтилляционным дозиметром гамма-излучения, сердце которого - сборка из сцинтилляционного кристалла CsI(Tl) размерами 10x10x10 и твердотельного кремниевого фотоумножителя вкупе с микроконтроллером STM32. Прибор приезжает в небольшой качественной картонной коробке и комплектуется инструкцией по эксплуатации, гарантийным талоном и кабелем Type-C. Да, прибор подключается и заряжается через именно этот разъем. Прибор очень компактный, а его корпус изготовлен из довольно качественного и пластика, не скрипит и удобно лежит в руке, имея при этом размеры 124x35x20. На передней стороне имеется жидкокристаллический монохромный дисплей, светодиоды индикации частиц, зарядки, датчик освещенности и три кнопки, две из них в виде качельки и одна круглая. Почему ЖК дисплей? Все просто, производитель учел неудачный опыт Радиаскана, OLED дисплей которого потреблял слишком много энергии и показания на нем не были видны на солнце. С обратной стороны обозначено название прибора и геометрический центр детектора, а так же легкие наплывы для более удобного удержания в руке. Прибор имеет множество настроек и обширное меню, а так же имеет модуль Bluetooth, при помощи которого может подключаться к смартфону и управляться или настраиваться через приложение. Прибор оснащен акселерометром, позволяющим изменять ориентацию дисплея, и термодатчиком, при помощи которого компенсируется сдвиг спектра из-за изменения температуры датчика, то есть прибор термоскомпенсирован.

Фото прибора
КоробкаКоробкаКомплектация прибораКомплектация прибораВид спередиВид спередиВид сбокуВид сбокуВид сзадиВид сзади

Обзор меню прибора

Меню прибора содержит пять пунктов - "Настройки", "Спектр", "Монитор", "Доза" и "Поиск". В пункте "Настройки" можно устанавливать пороги сигнализации, единицы измерения, язык прибора, время подсвечивания дисплея, возможность автоматического изменения ориентации экрана. Пункт "Спектр" позволяет просматривать накопленный спектр, изменять масштаб по оси OX, выбирать отображение в линейном или логарифмическом масштабе, в статус-баре отображается время накопления спектра. Подробнее о функции спектрометра в одном из следующих пунктов. В пункте "Монитор" на экран выводятся значения мощности дозы (Зв/ч или Р/ч) или скорость счета (CPM или CPS) с поддерживаемой погрешностью 9.9%, а в статус-баре время и температура датчика. В пункте "Доза" прибор отображает накопленную дозу (Зв или Р), в статус-баре время накопления дозы. Пункт "Поиск" представляет из себя график изменения скорости счета в зависимости от времени, в виде столбцов, а сверху графика отображается скорость счета. Время появления пиков фиксированное, с возможностью выбора: 0.5,1,2,4 секунды. График автоматически масштабируется при резком изменении скорости счета. Помимо этого в статус-баре выводятся индикатор заряда батареи, состояния Bluetooh, значок блокировки кнопок, состояние сигнализации и индикатор вибро или звукового режима во всех пунктах меню. Так же через меню можно выключить устройство.

Меню прибора
Режим "Монитор"Режим "Монитор"Режим "Доза"Режим "Доза"Режим "Поиск"Режим "Поиск"Режим "Спектр"Режим "Спектр"

Поиск и сигнализация

Поскольку сцинтилляционные приборы в первую очередь являются поисковиками и сигнализаторами, стоит уделить внимание чувствительности и скорости реакции RadiaCode-101на изменения фона. Для этого понадобится линейка, секундомер и какой-либо источник гамма-излучения, в моем случае это препарат Am-241 активностью 0,8 микроКюри. Это очень немного, но справедливости ради надо сказать, что RadiaCode-101 очень чувствителен к низкоэнергитичному излучению Am-241. Дозиметр начинает реагировать на источник на расстоянии 20см, а на 10 и 5см фон составил, соответственно, 40 и 130мкР/ч. это очень хороший результат, потому что приборы на СБМ-20 начинают реагировать на этот источник с расстояния 5см, показывая фон 30мкР/ч. Для проверки скорости реакции разместим прибор на расстоянии 15см до источника, мощность дозы на этом расстоянии составляет 25 мкР/ч. Далее умножаем мощность дозы на 0.8; 25*0.8=20 мкР/ч, это порог сигнализации, выставляем его в настройках прибора. Затем готовим секундомер и убираем источник. Когда показания прибора опустятся до фоновых, возвращаем источник и засекаем время. По результатам трех экспериментов с усреднением, среднее время срабатывания сигнализации составило 10 секунд, что неплохо. Как видите, с чувствительностью и скоростью реакции у RadiaCode-101 проблем нет. Помимо этого прибор можно установить на штангу, и получать показания на телефон, а достаточно громкий динамик (для помещений, на шумной улице можно не услышать, впрочем, больше и не надо) и вибросигнализация вкупе с чувствительностью, скоростью реакции и компактными размерами делают его отличным сигнализатором и поисковиком. Ну и фоточки рядом с источником, СПД и камерой Вильсона, а так же фон от гранитного постамента.

Измерения
Начало реакции прибора, 20смНачало реакции прибора, 20смФон на расстоянии 10см, 40мкР/чФон на расстоянии 10см, 40мкР/чФон на расстоянии 5см, 130мкР/чФон на расстоянии 5см, 130мкР/чФон рядом с источником, Am-241, 0,8мкКи, 300мкР/чФон рядом с источником, Am-241, 0,8мкКи, 300мкР/чФон рядом с источником, Ra-226, 740мкР/чФон рядом с источником, Ra-226, 740мкР/чФон рядом с камерой Вильсона, Pu-239-241. Am-241, 17мкР/чФон рядом с камерой Вильсона, Pu-239-241. Am-241, 17мкР/чФон от гранитного постамента, 70мкР/чФон от гранитного постамента, 70мкР/ч

Функция спектрометра

Одно из основных предназначений RadiaCode-101 помимо поискового радиометра и сигнализатора - портативный гамма-спектрометр. Несмотря на всего 256 каналов и разрешение около 10%, благодаря качественному кристаллу CsI(Tl) с хорошим световыходом и SiPM спектрометр в приборе получился очень достойный. RadiaCode-101 в режиме спектрометра вполне позволяет идентифицировать радионуклиды и даже проверять продукты питания, тем самым полностью выполняя свою функцию: определение изотопного состава или преобладающих энергий на ходу. По результатам экспериментов спектрометр в RadiaCode-101 способен определять Cs-137 в компактной пробе активностью 10Бк, чего более достаточно для спектрометрического анализа продуктов на наличие техногенных радионуклидов. На снимках ниже представлены снятые лично мной гамма-спектры Am-241, Ra-226 и Cs-137, а так же картинка спектров различных изотопов с сайта производителя. Все спектры изотопов, которые я снял, мне удалось идентифицировать. Основные вопросы были касательно пиков Pb-214, дочернего продукта распада Ra-226, не смажет ли их спектрометр в сплошной бугор из-за близкого их расположения, достаточно высокого разрешения кристалла и небольшого количества каналов? Как оказалось при наборе спектра, вначале пики действительно сливаются, но через некоторое время становится отчетливо видно три пика. Значит, при помощи спектрометра в RadiaCode-101 можно достаточно точно определять радионуклидный состав образцов. Теперь вернемся к продуктам питания. Ни для кого не секрет, что определить превышение ПДК по техногенным радионуклидам в продуктах питания невозможно радиометрами на счетчиках типа СБМ-20, но при помощи радиометров со слюдяными счетчиками уже можно определить превышение ПДК в несколько раз. Другое дело - гамма-спектрометры. Хорошие и дорогие приборы способны определять даже мизерные концентрации изотопов в пробе, и используются, в частности, для контроля продуктов питания. Но как обстоят дела с RadiaCode-101 в этом плане? Для проверки возможности определять наличие радионуклидов в пищевых продуктах оставим прибор набирать спектр от 30 грамм сушеной черники. Черника, как и некоторые другие ягоды и грибы, очень хорошо накапливает такой радионуклид, как Cs-137, спутник ядерных взрывов и аварий на АЭС. Данная черника была собрана в районах, пострадавших от аварии на ЧАЭС, и имеет активность по Cs-137 около 3000Бк/кг. Цезий на спектре появился через 1 минуту, а спустя десять часов мы видим красивейший пик на 662КЭВ, что подтверждает возможность использования RadiaCode-101 для проверки загрязненности продуктов питания техногенными радионуклидами.

Спектры
Гамма-спектр Am-241Гамма-спектр Am-241Гамма-спектр Ra-226Гамма-спектр Ra-226Черника, Cs-137, спустя 10 часовЧерника, Cs-137, спустя 10 часовЧерника, Cs-137. спустя 1 минутуЧерника, Cs-137. спустя 1 минуту

Итоги

Мне прибор очень понравился, получился действительно хороший девайс, особенно порадовали его размеры, возможность подключения к смартфону по Bluetooth, современный разъем, гироскоп, акселерометр, датчик освещенности, ну и конечно же спектрометр, который получился, на удивление, отличным для такого кристалла. Все же один момент мне не понравился: щель между дисплеем и корпусом, в нее постоянно набиваются пылинки. Но, справедливости ради надо сказать, что прибор носился без чехла, да и я придираюсь к мелочам. Надо сказать, что прибор получился в некоторой мере универсальный: он отлично работает как сигнализатор, поисковик и спектрометр, а благодаря сцинтилляционному детектору показания можно получать действительно в реальном времени, а когда производители добавят энергокомпенсацию и режим точных измерений, прибор станет и неплохим гамма-измерителем, учитывая то, что термокомпенсация уже работает. Да, вот список функций, которые производитель планирует реализовать:

  • Компенсация МЭД по спектру

  • Измерение активности продуктов питания

  • Увеличение количества каналов до 1024

  • Режим точных измерений ("Обнаружение")

  • Увеличение максимальной измеряемой МЭД со 100мР/ч до 1Р/ч

  • Тональный режим звука

  • Улучшения отображения спектра

  • Журнал событий с GPS и спектром сигнализации

  • Новые режимы поиска и накопленной дозы

  • Исправление багов и ошибок

Как видите, звучит очень многообещающе, а учитывая то что разработчики уже сделали несколько обновлений, есть основания предполагать, что прибор в скором времени очень сильно прокачают.

P.S. В этом обзоре я не рассказал ничего про приложение и программу для ПК, информации очень много, и про них я расскажу в другом обзоре, так же, возможно, будут дополнения после глобальных обновлений прибора.

Всех тех, кто купил прибор, приглашаю в Telegram-чат прибора, здесь можно узнать новости, задать вопросы, сообщить разработчикам о багах: https://t.me/radiacode101

Купить прибор можно на сайте компании Скан-Электроникс: RadiaCode-101 (scan-electronics.com)

Буду рад, если обзор оказался полезным или интересным!

Подробнее..

Обзор RadiaCode-101 Android-приложение и программа для Windows

05.06.2021 10:15:16 | Автор: admin

Предисловие

Это вторая часть обзора дозиметра-радиометра-спектрометра RadiaCode-101, новинки 2021 года в мире дозиметров от компании Скан-Электроникс. В первой части мы рассмотрели прибор, его характеристики, провели некоторые тесты и испытали функцию гамма-спектрометра. Но, прибор позволяет подключатся к смартфонам или ПК, поэтому сегодня мы рассмотрим программное обеспечение для них. Обзор описывает состояние приложения на начало июня 2021, v. 1.00.15, в дальнейшем, возможно, будут дополнения.

Android-приложение

Приложение для управления RadiaCode-101 бесплатное, доступно в Google Play и называется RadiaCode. После скачивания и установки мы попадаем в основное тело приложения, где имеются три вкладки: "Главная", "Журнал", "Спектр".

Во вкладке "Главная" по центру расположены два графика, отображающие скорость счета и мощность доза, а также их значения. Сбоку от графиков имеется шкала мощности дозы, с отметкой установленных порогов, и элементы управления, с помощью которых можно масштабировать и пролистывать графики. Сверху располагаются индикаторы состояния прибора, такие как уровень сигнала, уровень заряда батареи прибора, температура сцинтилляционного детектора, а над ними накопленная доза и время ее накопления.

Вкладка "Главное"
"Главная""Главная"

Вкладка "Журнал" представляет собой таблицу, в которую заносятся события и параметра прибора, автоматические измерения, измерения, выполненные вручную и измерения по расписанию. Сверху таблицы отображаются условные обозначения типов записей и значок "Настроек журнала". В "Настройках журнала" можно выбрать, какие события будут отображаться и как сортироваться. При длительном нажатии на запись в журнале ее можно выделить, а затем, при нажатии трех точек в верхнем правом углу, комментировать или удалить, а также очистить весь журнал.

Вкладка "Журнал"
"Журнал""Журнал""Настройки журнала", (Фото 1)"Настройки журнала", (Фото 1)"Настройки журнала", (Фото 2)"Настройки журнала", (Фото 2)

Вкладка "Спектр" представляет собой поле, в котором происходит построение спектрограммы. Поле имеет две отградуированные оси, и элементы масштабирования и управления слева. Помимо этого сверху отображается время набора и частота обновления спектрограммы. Спектр можно приближать, изменять масштаб с логарифмического на линейный, изменять отображение фона. При нажатии трех точек можно перезапустить накопление спектра, поделится им, сохранить в "Библиотеку спектров" или войти в нее. "Библиотека спектров" представляет из себя список всех сохраненных спектров с небольшой иконкой, которые можно переименовывать, устанавливать как фон, делиться ими или удалять. Накопленные спектры можно экспортировать в формате .csv при нажатии кнопки "Поделиться спектром", а затем импортировать в Bequerel Monitor или InterSpec. Возможно три варианта отображения фона на спектре: без наложения фона, наложение поверх, отображение разницы фона и спектра. Накапливаемый спектр подсвечивается оранжевым, фон зеленым, а разница фиолетовым. В "Настройках спектра" можно выбирать единицы осей, масштаб, отображение фона и последнего канала, варианты отрисовки спектра и фона. Также через "Настройки спектра" можно ввести калибровочные коэффициенты (не трогайте эти настройки, если вы не знаете, как калибровать прибор, о калибровке будет отдельная статья).

Вкладка "Спектр"
"Спектр", наложение фона на спектр"Спектр", наложение фона на спектр"Спектр", отображение разницы между фоном и спектром"Спектр", отображение разницы между фоном и спектром"Спектр", отображение фона отключено"Спектр", отображение фона отключено"Настройки спектра", (Фото 1)"Настройки спектра", (Фото 1)"Настройки спектра", (Фото 2)"Настройки спектра", (Фото 2)"Настройки спектра", (Фото 3)"Настройки спектра", (Фото 3)"Калибровочные коэффициенты""Калибровочные коэффициенты""Библиотека спектров""Библиотека спектров"

В самом верху основного тела приложения отображается его версия, серийный номер подключенного прибора, версия его прошивки и "Панель быстрого доступа", при помощи которой можно управлять свето-, звуко- и вибро-сигнализацией прибора, а также выключить его дистанционно, если, например, RadiaCode-101 находится в рюкзаке.

Панель быстрого управления
"Панель быстрого доступа""Панель быстрого доступа"

Помимо этого в приложении есть выпадающее меню, вызываемое нажатием на три полоски слева в верхнем углу. В данном меня содержатся такие пункты как "Приборы", "Настройки приложения", "Настройки прибора", "Карта", "Справка", "Обратная связь" и "О RadiaCode".

В пункте "Приборы" можно выбрать интерфейс соединения, а затем и прибор, чтобы подключится к нему, также есть режим "Demo", для демонстрации работы приложения.

Пункт "Приборы"
"Приборы""Приборы"

Пункт "Настройки приложения" позволяет изменять язык приложения, настраивать сигналы телефона, изменять настройки графиков в пункте "Главное", изменять настройки местоположения и расстояние между маркерами на карте. Имеются так же "Экспертные настройки", которые лучше не трогать, это может привести к неправильной работе приложения.

Пункт "Настройки приложения"
"Настройки приложения", (Фото 1)"Настройки приложения", (Фото 1)"Настройки приложения", (Фото 2)"Настройки приложения", (Фото 2)"Экспертные настройки""Экспертные настройки"

В пункте "Настройки прибора" можно изменять абсолютно все параметры RadiaCode-101 дистанционно, очень удобная функция, если прибор находится в сумке.

Пункт "Настройки прибора"
"Настройки прибора", (Фото 1)"Настройки прибора", (Фото 1)"Настройки прибора", (Фото 2)"Настройки прибора", (Фото 2)"Настройки прибора", (Фото 3)"Настройки прибора", (Фото 3)

А вот на пункте "Карта" остановимся поподробнее. Он представляет собой окно с Google-картой в центре, цветовой шкалой мощности дозы справа и элементами управления сверху. Для чего это нужно? Дело в том, что RadiaCode-101 вкупе с приложением смартфона умеет строить трек своего перемещения, отмечая новую позицию маркером на карте, цвет которого зависит от мощности дозы в этом месте. Таким образом, при помощи прибора и смартфона можно составлять карты радиационного фона на местности. Вернемся к элементам управления вверху окна. Данные элементы позволяют просмотреть список записанных треков, автоцентрировать карту, автоматически раскрасить маркеры по минимальным и максимальным значениям мощности дозы, быстро запустить или приостановить запись текущего трека, свернуть цветовую шкалу, а значок настроек позволяет войти в "Настройки карты", где можно изменять настройки, связанные с отрисовкой карты и маркеров, определением местоположения. Раздел "Треки" позволяет просмотреть записанные треки, переименовать, удалить или поделиться ими, а также начать запись нового трека. Для этого необходимо включить определение геолокации (GPS) на телефоне и нажать на зеленый значок справа в верхнем углу. После ввода названия и подтверждения на карте начнут появляться метки, расстояние между ними можно изменить в пункте "Настройки приложения". После остановки записи трек можно будет посмотреть на карте в приложении. Пример трека находится в спойлере ниже.

Пункт "Карта"
"Карта""Карта""Настройки карты", (Фото 1)"Настройки карты", (Фото 1)"Настройки карты", (Фото 2)"Настройки карты", (Фото 2)"Треки""Треки"Пример записанного трекаПример записанного трека

Пункт "Справка" состоит из структурированного набора справок, разбитых по разделам. Данный пункт описывает все без исключения функции приложения, и призван помочь пользователю разобраться в работе программы.

Пункт "Справка"
"Справка""Справка"

Пункт "Обратная связь" позволяет отправить отчет или сообщение разработчикам прибора, а в пункте "О RadiaCode" имеется история изменений приложения, данные прибора, подключенного в настоящий момент и версия android-приложения.

Пункты "Обратная связь" и "О RadiaCode"
"Сообщение разработчикам""Сообщение разработчикам""О RadiaCode""О RadiaCode"

Программа для Windows

Программа RadiaCode для Windows доступна для скачивания на сайте Скан-Электроникс в разделе "Загрузки". Программа почти полностью дублирует приложение для смартфона, за исключением немного другого оформления. Здесь так же имеются вкладки "Графики", "Журнал" и "Спектр", "Настройки прибора" и функции как в мобильной версии, за исключением "Карт" и наложения фона на спектр. Для стационарного использования такого набора функций более чем достаточно.

RadiaCode для Windows
"Графики""Графики""Журнал""Журнал""Спектр""Спектр"

Итоги

Надо отметить, что у разработчиков получилось реализовать удобное и функциональное ПО для работы с прибором. На данный момент ПО RadiaCode-101 немного "сыровато", но разработчики активно исправляют ошибки и добавляют функции, которых просто нет в продуктах других производителей, обновления выходят часто и ПО быстро развивается. Учитывая то, сколько нововведений и исправлений ошибок было сделано, мне кажется, что прибор и его ПО имеют большую перспективу.

P.S. В дальнейшем после глобальных обновлений ПО и функций RadiaCode-101 будут дополнения, а также я намереваюсь написать статью про калибровку этого прибора.

Всех тех, кто купил прибор, приглашаю в Telegram-чат прибора, здесь можно узнать новости, задать вопросы, сообщить разработчикам о багах:https://t.me/radiacode101

Купить прибор можно на сайте компании Скан-Электроникс.

Буду рад, если обзор оказался полезным или интересным!

Подробнее..

Задача о форме поверхности вращающейся жидкости

08.06.2021 18:13:14 | Автор: admin

Размешивая утром сахар в чае или кофе, можно заметить, что форма поверхности воды в стакане принимает форму воронки. О том, какая эта форма люди задумывались давно, например, на Хабре есть статья http://personeltest.ru/aways/habr.com/ru/post/345994, где утверждается, что это параболоид (парабола, если смотреть в разрезе). Однако, легко убедиться в том, что на самом деле это не совсем парабола. Вернее, совсем не парабола. А что же это тогда ?

Для того, чтобы вычислить, какую форму приобретёт вода (ну или другая жидкость) в стакане, необходимо учитывать вязкость и влияние стенок стакана. Поэтому здесь надо использовать уравнения Навье-Стокса для вязкой несжимаемой жидкости. Поскольку стакан имеет цилиндрическую форму, то и уравнения Навье-Стокса надо записать в цилиндрических координатах, где ось z идет по центру стакана и направлена вверх, а r - расстояние от этой оси. В общем виде уравнения Навье-Стокса в цилиндрических координатах выглядят следующим образом (Ландау-Лифшиц Гидродинамика):

Здесь ро - плотность жидкости, а ню - кинематическая вязкость.
Решить такую систему уравнений в аналитическом виде представляет большую сложность, поэтому мы сделаем два разумных упрощения. Первое, будем считать, что дно стакана не воздействует на форму жидкости, т.е. стакан достаточно глубокий. Второе - будем считать, что скорость вращения жидкости по окружности значительно больше, чем скорость перемещения жидкости вверх-вниз и от центра стакана к и от его стенок. Т.е. этими скоростями можно пренебречь. С учетом таких упрощений, третье уравнение нашей системы превратится в тождество, а оставшиеся два будут выглядеть следующим образом:

Давление внутри жидкости в любой точке прямо пропорционально столбу жидкости над этой точкой и вычисляется по известной формуле:

где g - ускорение свободного падения, а y - высота столба жидкости для фиксированного z, которая, собственно, и задаёт форму поверхности. Таким образом, первое уравнение можно переписать в следующем виде:

Надо заметить, что если угловая скорость omega постоянна, то можно получить пресловутую параболу, поскольку:

Однако, в нашем случае касательная скорость зависит от расстояния до стенок, поскольку, согласно гидродинамике, скорость около стенок равна нулю. Значение этой скорости получим из второго уравнения:

Касательная скорость зависит не только от расстояния до стенок стакана, но и от времени, поскольку жидкость вязкая, энергия вращения теряется на трение. Для того, чтобы решить второе уравнение, представим касательную скорость в виде произведения двух функций, одна из которых зависит только от расстояния от оси стакана, а вторая только от времени:

Подставив во второе уравнение, получим:

Если разделить это уравнение на саму функцию и ню, то легко увидеть, что первая часть равенства зависит только от времени, а вторая только
от r. Значит, их можно приравнять некоторой константе лямбда:

Решим сначала уравнение для той части, которая зависит от расстояния от центра стакана r:

Продифференцируем выражение в скобках:

Раскроем скобку:

Сгруппируем и умножим на r в квадрате:

Получилось красивое дифференциальное уравнение, но мешает лямбда. Чтобы от нее избавиться, сделаем замену переменной:

Тогда:

И наше уравнение принимает вид:

Это уравнение Бесселя первого порядка. Для того, чтобы точно узнать распределение касательной скорости, надо воспользоваться граничным условием, гласящим, что у стенки стакана скорость будет равна нулю, то есть это будет первый нуль функции Бесселя первого порядка равный:

Из этого условия можно найти значение лямбда. Поскольку

где R - радиус стакана, можно найти

Таким образом, распределение касательной скорости от расстояния от центра стакана будет выглядеть следующим образом:

Для того, чтобы найти зависимость касательной скорости от времени, подставим найденное значение лямбда в ту часть, которая зависит только от времени:

Решив это уравнение, получим:

где C - константа. Можно подсчитать, за какое время касательная скорость уменьшается в два раза:

Окончательно зависимость касательной скорости от расстояния и времени будет:

Найдем теперь, собственно, форму поверхности. Для этого подставим значение касательной скорости в уравнение для y:

Интегрируем и получаем:

Здесь C1 и C2 - константы, зависящие от того, насколько сильно мы раскрутили жидкость и от глубины нашего стакана. Профиль нашей вращающейся жидкости будет выглядеть следующим образом:

А если его представить в 3d, то вот так:

Похоже ли это на реальную форму чая у вас утром, пишите в комментариях.

Подробнее..

Категории

Последние комментарии

© 2006-2021, personeltest.ru