Астрономия

Оригинал: Wobbling muons hint strongly at the existence of bizarre new physics, Phil Plait, SYFY Wire.

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.

Мюоны не ведут себя так, как это предсказывается Стандартной моделью. Почему? Это может быть связано с тем, что на них оказывают действие неизвестные субатомные частицы, появляющиеся и исчезающие в квантовой пене такой вывод сделан в ходе эксперимента g-2, проведенного в лаборатории ускорителей частиц высоких энергий Fermilab в Иллинойсе и исследующего поведение мюона, и он говорит нам о том, как мало мы знаем об устройстве Вселенной.

Мюон субатомная частица, по своим свойствам очень напоминающая электрон: оба с отрицательным зарядом и одинаковым спином, только их масса различается в почти 207 раз. Используя Стандартную модель (СМ), физикам удается объяснить и предсказать поведение такой тяжелой частицы. Например, вращающаяся заряженная частица имеет связанное с ней магнитное свойство, называемое моментом, характеризующееся как мера силы магнитного поля и ориентации частицы. В сравнении с мюоном это будет так: при его нахождении в магнитном поле, частица подвергнется колебанию (прецессии). СМ чрезвычайно точно предсказывает эту прецессию, называемую g-фактором, который близок к значению 2.

В макромире мы привыкли думать, что пространство гладкое и непрерывное, но в квантовом масштабе (порядка 10^-35 метров) пространство становится дискретным. Это значит, что на сверхмалых масштабах оно не может быть пустым, и вместо этого должно, подобно супу, "кипеть и бурлить" от энергообмена. В этом кипящем супе, в науке называемом квантовой пеной, постоянно возникают и аннигилируют частицы.

К чему речь пошла о пене? Дело в том, что ее воздействие как раз и сказывается на прецессии мюона. Без нее значение g-фактора было бы очень близко к двум, но воздействие виртуальных частиц на мюон вызывает аномальный магнитный момент, то есть отклонение от нормального значения. Более того, Стандартная модель предсказывает значение этого аномального момента, а, чтобы проверить предсказание, и проводится эксперимент g minus two.

Для того, чтобы определить влияние квантовых флуктуаций на мюон, частицу вводят в очень стабильное магнитное поле и измеряют его колебания, сравнивая результат с теоретическим. Стандартная модель предсказывает значение аномального магнитного момента (АММ) равного 1,16591 10^-8, а результат эксперимента демонстрирует значение 1,16592 10^-8 разница, кажется, небольшая (всего 0,0002%), но предсказание должно полностью совпадать с результатом. Полученная различие значит многое: например, то, что существуют неизвестные нам силы, действующие на мюон в квантовом масштабе. Читатель может посчитать такое малое расхождение статистической ошибкой, но вероятность этого очень маловероятна результаты эксперимента g minus two составляют 4,2 сигмы, т.е. шанс ошибки составляет 1 к 38 000 (0,002%).

Очевидно, что полученный результат не идеален, потому команда исследователей намерена проводить эксперимент уже в пятый раз для того, чтобы повысить значение сигмы до золотого стандарта пяти. Если это произойдет, то мы окажемся перед еще одним непаханым полем природой квантового мира. Стандартная модель довольно-таки успешна: например, она предсказала существование бозона Хиггса, обнаруженного в 2012 году, но ее проблема заключается в том, что есть вещи, которые она предсказать не может. Это было продемонстрировано командой экспериментаторов g minus two на примере поведения мюонов, исследование которых манит нас к будущим свершениям и великим открытиям новой, неизвестной нам физике.

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!

В новом предложении квантовые жёсткие диски будет использоваться для объединения световых потоков от нескольких телескопов, позволяя астрономам создавать оптические изображения с невероятно высоким разрешением.

В эксперименте с двумя щелями фотон проходит сразу через обе щели и интерферирует с собой на другой стороне. Волна представляет возможные положения фотона; белый цвет указывает на места его наиболее вероятного обнаружения. Астрономы надеются представить оптические телескопы как отдельные щели. Представьте, что вы можете видеть поверхность похожей на Землю планеты, вращающейся вокруг другой звезды, или наблюдать, как звезда разрывается чёрной дырой.

Такие точные наблюдения в настоящее время невозможны. Однако учёные предлагают способы квантово-механического связывания оптических телескопов по всему миру, чтобы видеть космос с умопомрачительным уровнем детализации.

Хитрость заключается в переносе хрупких фотонов между телескопами так, чтобы сигналы можно было комбинировать или интерферировать в целях создания гораздо более чётких изображений. Исследователи уже много лет знают, что такой вид интерферометрии возможен при наличии футуристической сети устройств телепортации, называемой квантовым Интернетом. Однако, пока квантовый Интернет это далёкая мечта, в новом предложении излагается схема реализации оптической интерферометрии с использованием квантовых запоминающих устройств, которые сейчас разрабатываются.

Этот подход представлял бы собой следующий этап одержимости астрономов размером. Более широкие зеркала создают более чёткие изображения, поэтому астрономы постоянно проектируют всё более крупные телескопы и раскрывают всё больше деталей космоса. Сегодня они строят оптический телескоп с зеркалом почти 40 метров в ширину, что в 16 раз превышает ширину (и, следовательно, разрешение) космического телескопа Хаббла. Однако возможностям роста зеркал есть предел.

Мы не собираемся строить 100-метровый телескоп с одной апертурой. Это безумие! восклицает Лиза Прато, астроном из обсерватории Лоуэлла в Аризоне. Так каково же будущее? Будущее за интерферометрией.

Телескоп размером с Землю

Радиоастрономы десятилетиями занимались интерферометрией. Первое в истории изображение чёрной дыры, опубликованное в 2019 году, было получено путём синхронизации сигналов, поступивших на восемь радиотелескопов, разбросанных по всему миру. В совокупности телескопы обладали разрешающей способностью одного телескопа с зеркалом шириной, равной расстоянию между ними, т.е. эффективный телескоп был размером с Землю.

Чтобы сделать этот снимок, радиоволны, поступающие на каждый телескоп, были преобразованы в данные с точной разметкой временными метками и сохранены. Позднее эти данные были сшиты. Эта процедура относительно проста в радиоастрономии, так как радиоизлучающие объекты, как правило, чрезвычайно яркие, а радиоволны относительно большие, и поэтому их легко выровнять.

Оптическая интерферометрия гораздо сложнее. Длина видимых волн измеряется сотнями нанометров, что оставляет гораздо меньше пространства для ошибок при накладывании волн в зависимости от времени их поступления в разные телескопы. Более того, оптические телескопы строят изображения фотон за фотоном из очень тусклых источников. Такие зернистые сигналы невозможно сохранить на обычных жёстких дисках без потери информации, жизненно важной для интерферометрии.

Астрономам удалось напрямую связать близлежащие оптические телескопы оптоволоконными кабелями подход, который в 2019 году привёл к первому прямому наблюдению экзопланеты. Однако подключение телескопов на расстоянии более 1 километра или около того чрезвычайно громоздко и дорого, рассказывает Тео тен Бруммелаар, руководитель CHARA Array, оптического интерферометрического массива в Калифорнии. Если бы существовал способ регистрации фотонных событий в оптическом телескопе с помощью какого-то квантового устройства, это было бы большим благом для науки.

Щели Юнга

Джосс Бленд-Хоторн и Джон Бартоломей из Университета Сиднея и Мэтью Селларс из Австралийского национального университета недавно предложили схему реализации оптической интерферометрии с использованием квантовых жёстких дисков.

Принцип, лежащий в основе нового предложения, восходит к началу 1800-х годов, до квантовой революции, когда Томас Юнг разработал эксперимент, чтобы проверить, состоит ли свет из частиц или волн. Юнг пропустил свет через две близко расположенные, отдельные щели и увидел, что на экране позади образовался узор из регулярных ярких полос. Он утверждал, что эта интерференционная картина возникла из-за того, что световые волны из каждой щели гасят друг друга и складываются в разных местах.

А потом всё стало ещё более странным. Квантовые физики обнаружили, что интерференционная картина для двух щелей сохраняется, даже если отправлять фотоны к щелям по одному. Точка за точкой они постепенно создают на экране те же самые светлые и тёмные полосы. Однако, если кто-нибудь проследит, через какую щель проходит каждый фотон, интерференционная картина исчезнет. Невозмущённые частицы ведут себя только как волны.

Теперь представьте, что вместо двух щелей у вас два телескопа. Когда один фотон из космоса прибывает на Землю, он может попасть в любой телескоп. Без измерения как в случае с двойными щелями Юнга фотон представляет собой волну, которая входит в обе щели.

Бленд-Хоторн, Бартоломью и Селларс предлагают подключить к каждому телескопу квантовый жёсткий диск, который способен записывать и хранить волноподобные состояния входящих фотонов, не нарушая их. Через некоторое время жёсткие диски переносятся в одно место, где сигналы накладываются друг на друга, чтобы создать изображение с невероятно высоким разрешением.

Квантовая память

Чтобы это сработало, квантовые жёсткие диски должны хранить много информации в течение длительного периода. Один из поворотных моментов наступил в 2015 году, когда Бартоломью, Селларс и коллеги разработали запоминающее устройство из ядер европия, встроенных в кристалл, которое могло хранить хрупкие квантовые состояния в течение шести часов с возможностью продления этого срока до нескольких дней.

Затем, в начале этого года, команда из Университета науки и техники Китая в Хэфэе продемонстрировала возможность сохранения данных о фотонах в аналогичных устройствах с последующим считыванием.

Очень интересно и удивительно видеть, что методы квантовой информации могут быть полезны для астрономии, сказал Цзун-Цюань Чжоу, который был соавтором недавно опубликованной статьи. Чжоу описывает мир, в котором высокоскоростные поезда или вертолёты быстро перемещают квантовые жёсткие диски между далёкими телескопами. Однако ещё предстоит выяснить, могут ли эти устройства работать за пределами лабораторий.

Бартоломью уверен, что жёсткие диски можно защитить от случайных электрических и магнитных полей, нарушающих квантовые состояния. Однако им также придётся выдерживать перепады давления и ускорение. Исследователи также работают над созданием жёстких дисков, которые способны хранить фотоны с различными длинами волн это необходимо для захвата изображений космоса.

Не все думают, что это заработает. В долгосрочной перспективе, если эти технологии будут реализованы на практике, им потребуется квантовая сеть, рассуждает Михаил Лукин, специалист по квантовой оптике в Гарвардском университете. Вместо физической транспортировки квантовых жёстких дисков Лукин предложил схему, которая будет опираться на квантовый Интернет сеть устройств, называемых квантовыми ретрансляторами, которые телепортируют фотоны между площадками, не нарушая их состояния.

Бартоломью возражает, говоря: У нас есть веские причины для оптимизма в отношении квантовых жёстких дисков. Я думаю, что в течение 510 лет мы сможем увидеть предварительные эксперименты, в которых фактически начнём наблюдать реальные [астрономические] источники. Напротив, создание квантового Интернета, по словам Бленда-Хоторна, от реальности отделяют десятилетия.

В области физики необходим всесторонний анализ данных, поступающих не только с телескопов, но и с датчиков для отслеживания экспериментов. Анализ больших массивов данных также востребован бизнесом. Если эта сфера вам интересна, вы можете обратить внимание на профессию Data Analyst мы поможем прокачаться занятому специалисту или освоить её с нуля.

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

• Профессия Data Scientist

• Курс по Data Engineering

В России начинается сезон серебристых облаков. Примерно с мая по сентябрь вскоре после заката или незадолго до рассвета на небе можно наблюдать красивые яркие тонкие облака, подсвеченные солнцем, когда все другие, более низкие облака, уже или еще в тени. Несмотря на то, что ученые наблюдают эти облака с конца 19 века, до сих пор о них многое предстоит узнать. И, кроме наблюдений в различных диапазонах с поверхности и из космоса, проводятся и активные эксперименты. В начале 2018 года NASA запустило суборбитальную геофизическую ракету, которая распылила на высоте 85 км 220 литров воды, создав условия для формирования серебристых облаков.

Две ракеты с трассерами для наблюдения за ветром на высоте, одна ракета с водой. Зеленый луч - лидар (лазерный радар). Фото NASAs Wallops Flight Facility/Poker Flat Research Range/Zayn RoohiУпоминания о серебристых облаках встречаются с 1880-х. Похожие феномены в атмосфере наблюдали в 1883 после извержения вулкана Кракатау. А первооткрывателем их, скорее всего, является англичанин Роберт Лесли, заметивший странные светлые полосы в ночном небе в июле 1885 и написавший об этом в журнал Nature. Хотя, возможно, это был его соотечественник Томас Ромни Робинсон, наблюдавший некие странные облака 1 мая 1850. Известно, что серебристые, они же полярные мезосферные, облака состоят из частичек льда до 100 нанометров (0.0001 мм) диаметром, неким пока еще не очень хорошо понятным способом оказавшихся на высотах от 76 до 85 км. Они хорошо отражают излучение радара в диапазоне от 50 МГц до 1,3 ГГц, и этот факт пока что также имеет только гипотетические объяснения. Раньше серебристые облака можно было увидеть только выше 50 северной (или ниже южной) широты, но, возможно, они становятся более распространенными, потому что появляются свидетельства об их наблюдении вплоть до территории Турции.

Ричард Коллинз, космический физик Университета Аляски, вместе с коллегами выдвинул гипотезу, что появление серебристых облаков может быть связано с охлаждением атмосферы. Для проверки гипотезы былпоставлен эксперимент, названный Super Soaker (в честь производителей водяных пистолетов): 26 января 2018, в максимально неподходящее для формирования серебристых облаков время, была запущена суборбитальная геофизическая ракета, которая распылила 220 литров воды на высоте 85 км.

Цилиндрический бак длиной 152 см и диаметром 42 см, два заряда из черного пороха по 0,7 кг каждый, и красивый взрыв в мезосфере гарантирован.

Наземные испытания

Отклоняясь немного в сторону, это далеко не самое большое количество воды, распыленной в космосе. В 1962 году в двух испытательных пусках ракеты Saturn I был параллельно осуществлен проект Highwater - оба раза на высоте примерно 167 км выбрасывалось 86 тонн (!) воды.

Наземные съемки проекта Highwater

За образовавшимся облаком ледяных кристаллов наблюдали в том числе и с целью получить новую информацию о серебристых облаках, но в силу совсем другой высоты распыления значимых научных результатов именно в этой области это не принесло.

А вот проект Super Soaker, несмотря на гораздо меньший масштаб, оказался успешным. Уже спустя 18 секунд после распыления наземный лидар зафиксировал увеличение отраженного сигнала, говорящее о формировании небольшого серебристого облака, первого, намеренно созданного человеком.

Белая вертикальная линия - время выброса воды. Высота и время формирования облака отмечены белым овалом. Изображение Richard L. Collins et al.

Эксперимент наглядно показал, как охлаждение мезосферы на 26 C привело к появлению облака. Любопытно, что, по словам Коллинза, серебристые облака работают как термостат - охлаждение мезосферы формирует облако, но ледяные кристаллы лучше поглощают тепло, чем вода в форме пара, кристаллы нагреваются, тают и цикл повторяется.

Также Super Soaker подтвердил интуитивно выдвинутую гипотезу о том, что на серебристые облака влияют ракетные пуски. Выхлоп кислородно-водородных двигателей, нередко стоящих на верхних ступенях, - водяной пар, и, например, один пуск спейс шаттла выбрасывал массу воды, составляющую примерно 20% от массы всех серебристых облаков за год.

За серебристыми облаками с 2007 года наблюдает специальный спутник NASA "Аэрономия льда в мезосфере" (AIM).

"Планетарная волна" серебристых облаков в южном полушарии (там их сезон с ноября по февраль)

В заключение стоит отметить, что серебристые облака очень красиво смотрятся с земли, их любят снимать фотографы, да и вам стоит поглядывать на небо после заката или перед рассветом.

Астрофотография это особый вид фотографии, в которой основным объектом экспозиции является ночное небо и ее содержимое в виде объектов глубокого космоса, Солнечной системы, и который используется как в художественной сфере, так и в научной. В последние десятилетия развитие цифровых технологий открыло этот вид искусства для массового потребителя теперь даже владелец смартфона способен запечатлеть звездное небо без сильного проигрыша в качестве изображения. Астрофотография отражает почти идентичное, доподлинное содержимому на небе тому, что чаще всего незаметно невооруженным глазом. В этой статье будет рассказано о том, какие события привели к современному положению астрофотографии, заслуге фотографирования космических объектов в астрофизических исследованиях и создании карт звездного неба.

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.

Зарождение астрофотографии

19 августа 1839 года на заседании Академии наук физик Франсуа Араго ознакомил общественность с новой технологией фотографирования, называемой дагерротипией, патент на которую был приобретен у химика Луи Дагера и гелиографа Нисевора Ньепса французским правительством и предоставлен во всеобщее использование как общественное достояние. Дагерротип представлял собой процесс химического воздействия света на плоскую посеребренную пластинку из меди. Эту пластину помещали в камеру-обскуру с объективом на длительное время (15-30 минут), где на серебряном слое отражалось воздействие фотонов, которое позже проявляли парами ртути. Чтобы изображение не переэкспонировалось после появления на свету, верхний слой закрепляли тиосульфатом натрия, а затем промывали водой.

Франсуа Араго видел огромный потенциал дагерротипии в астрономии он упоминал о ней не только как о способе сохранения изображений неба, но и для фотометрии (измерения яркости космических объектов) и спектроскопии. В недалеком будущем, буквально через два десятилетия, Кирхгофом и Бунзеном будут зафиксированы первые линии Фраунгофера в спектре Солнца. И все же первая фотография внеземного тела была сделана не во Франции, а в Америке профессор медицины Нью-Йоркского университета Джон Уильям Дрейпер любил проводить эксперименты со светом для улучшения чувствительности первых фотопластин. К марту 1840 года ему удалось создать первое детальное изображение Луны с общим временем экспозиции двадцать минут.

Вскоре фотографированием стали заниматься не только отдельные лица интерес к этому делу появился у институтов и астрономических сообществ, потому начали создаваться специальные астрографы, то есть рефракторы со встроенными камерами и химическими лабораториями для создания и проявления пластинок. Именно с помощью подобного устройства 16 июля 1850 года Уильяму и Джорджу Бондам удалось сделать фотографию Веги первую фотографию звезды. Потребовалось всего лишь 100 секунд, чтобы запечатлеть ее.

Тем временем французами Леоном Фуко и Луи Физо были сделаны дагерротипы нашего светила, но которых отчетливо были видны солнечные пятна. А 28 июля 1851 года последним достижением дагерротипов стала первая фотография солнечного затмения, сделанная неким наблюдателем Берковским (его имя никогда не было опубликовано) в Кенигсбергской обсерватории в ходе фотографирования были зафиксированы солнечные протуберанцы и корона.

Мокрые тарелки, быстрые кадры

Еще в 1834 году Уильямом Тальботом были предприняты первые попытки создания фотограмм с помощью бумаги, покрытой нитратом серебра. Позднее он заменил нитрат на хлористое серебро, которое темнело при попадании на него фотонов. Проблему с высвечиванием снимка удалось решить обработкой бумаги в йодистом калии, которая блокировала взаимодействие света и серебра. По сути, открытие дагеротипии и калотипии произошло в одно время, и более того, последняя пришла в Россию на три месяца раньше дагеротипов. Но у них было большое преимущество в скорости накопления света калотипы требовали выдержки более часа, проблему чего удалось решить только в начале 1840-х годов, сократив выдержку до одной-двух минут. Кроме быстрого накопления света, калотипы можно было тиражировать при помощи контактной печати, увеличивать в размерах. Свое распространение процесс получил лишь в пятидесятых годах из-за патентов создателя, который всеми силами предотвращал использование его метода посторонними лицами.

Тем не менее калотип стал первым позитивно-негативным способом создания фотографии, пример которого в будущем использовал коллодионный процесс, созданный Фредериком Арчером. Этот метод включал в себя достатки калотипа, при этом время экспозиции вновь сократилось, а свободное распространение метода предоставило ему большую популярность среди фотографов. Единственным недостатком коллоидов было то, что для фотографирования требовалось создать мокрый раствор, состоящий из опасных веществ (например, эфира). Именно с помощью этого метода впервые были измерены положения звезд (астрометрия) и их величины (фотометрия). До этого астрономам приходилось на глаз с телескопа наносить положения звезд на карту, оценивая их яркость и переменность ни о какой точности не было и речи. За одну ночь астроном мог отметить положение нескольких десятков звезд, а фотография регистрировала все предоставленное ей поле за доли секунды.

В 1860-х годах стали появляться детальные фотографии Луны, а Уорреном де ла Рю с помощью либраций была создана стереоскопическая фотография трехмерного изображения гор и кратеров. Им же было предсказано будущее звездных карт, которые будут созданы лишь с помощью фотографий неба. В 1870-х годах Резерфорд впервые зафиксировал зернистую структуру Солнца, а Генри Дрейпер получил спектр и линии поглощения Веги.

Сухие эмульсии бромистого серебра, созданные примерно в то же время, что и ранее описанные достижения, позволили произвести революцию фотографии вместо 30-минутной экспозиции на дагерротипе новая разработка требовала всего лишь 1/15 секунды. Также сухая смесь не требовала наличия химической лаборатории, могла быть подготовлена заранее и реализовываться через несколько часов после экспонирования, что в общем позволило популяризировать астрофотографию и достичь новых вершин. Например, в 1880 году была сделана первая дипскай-фотография, на которой была изображена туманность Ориона (M42) ее на 11-дюймовом рефракторе Кларка сделал Генри Дрейпер. Примечательно, что для этого он использовал ведущий часовой механизм, компенсирующий суточное вращение Земли сегодня такие устройства называются астротрекерами.

Carte du Ciel

Последним из пионеров любительской астрономии был англичанин Исаак Робертс, который после 1885 года начал активно фотографировать ночное небо с помощью своего двадцатидюймового рефлектора f/5. Например, в 1888 году она провел трехчасовую экспозицию туманности в Андромеде (M31), а в 1893 выпустил книгу под названием Подборка фотографий звезд, звездных скоплений и туманностей. Изначально у него был примечательный план, заключавшийся в создании фотографических карт всего северного неба, но позже он от него отказался, передав инициативу своим коллегам, одним из которых был Дэвид Гилл, который активно отстаивал позицию систематической каталогизации неба. Он получил финансирование от Королевского общества и начал исследование южного неба обработать огромное количество полученных пластин он не успевал, потому начал отправлять свои исходники помощникам, одним из которых был Якобс Каптейн. Доброволец не имел возможности проводить наблюдения самостоятельно, потому в период 1896-1900 годов вместе с Гиллом составлял и каталогизировал карты, которые вошли в их каталог Cape Photographic Durchmusterung, насчитывающий более 454 тысяч звезд. Таким образом Каптейн стал первым астрономом, внесшим весомый вклад в науку, не проводящим наблюдения.

Еще один прорыв произошел по инициативе братьев Поля и Проспера Генри, которые в 1880 году начали каталогизировать звезды Млечного Пути по фотоснимкам. Для этого они построили шестидюймовый астрограф, с помощью которого наблюдатели достигли максимальной детализации (около 0,03 мм для звезды). Ошемляющим фактом стало то, что бессметное количество объектов Млечного Пути с помощью одной фотографии каталогизировалось за две минуты, когда вручную для этого потребовалось бы несколько лет. Братья получали фотографии очень тусклых звезд для 12-й звездной величины это была двухминутная экспозиция, и для 16-й звездной около десяти минут.

На примере туманности в Плеядах, где было обнаружено около двух тысяч новых звезд, стало ясно, что одной обсерватории с каталогизацией всего неба не справиться. По этому вопросу при поддержке Гилла Мушес была созвана международная конференция, в которой участвовало 58 астрономов из 16 стран. Темой обсуждения стала Карта неба (Carte du Ciel), которая бы стала каталогом карт со звездным полем в трех разных экспозициях. Фотографирование должно было проходить с помощью рефракторов, идентичных рефрактору братьев Генри. Для контроля и курирования создания каталога был создан международный комитет, ставший прародителем послевоенного Международного астрономического союза. Тем не менее, процесс каталогизации стал слишком утомительным, да настолько, что полный каталог не был закончен и к 1964 году. Вместо этого интерес научного сообщества к астрофотографии появился для астрофизических исследований. Начали строиться огромные оптические приборы, наблюдающие внегалактические объекты именно на базе этих устройств были открыты многообразие галактик и расширение Вселенной.

Наследие

К началу 20-го века сохранилось несколько тысяч изображений Луны, Солнца, солнечных затмений. Были сфотографированы все известные на тот момент планеты Солнечной системы и создана карта звездного неба, панорамы звездного неба, фотографии галактик и Млечного Пути, спектры звезд и газовых образований.

Для проведения качественных астрофизических исследований потребовались новые способы фотографирования космических тел. Так появилась электрооптика, где регистрация света производилась преобразованием света в электрический ток. Фотоэлектрические методы регистрации развили фотометрию и спектрометрию, а также стали причиной создания цифровой съемки (CCD's) и космической астрономии. В 1976 году, спустя после 18 лет после первого цифрового изображения, астрономами Аризонского университета производятся первые снимки космических объектов. Эффективность накопления света составляет около 70% в сравнении с 4% от химических эмульсий. Компьютерный анализ полученных фотографий также сделал ПЗС-матрицы популярными в научных кругах. Тогда этим преимуществом в виде новой технологии пользовались единицы, но уже к концу 80-х, когда начиналась эпоха космических телескопов, астрономы-профессионалы применяли исключительно новые технологии. Также преимуществом цифровой астрофотографии стала возможность ее свободной обработки.

Рубеж 2021 веков ознаменовался резким скачком популярности астрофотографии теперь любой желающий мог позволить себе цифровую камеру, которая снимает звездное небо. Рынок астрономических товаров приобретал новые позиции, такие как астрокамеры, астрографы и экваториальные монтировки для астрофотографии. В это же время появлялось много новых запатентованных изобретений для астрофотографов (например, наша отечественная маска Бахтинова). Даже те, кто не интересовался космосом, не могли не видеть красивые фотографии телескопа им. Хаббла, который стал вехой современных технологий и спектрального анализа. И по сей день сохраняется и развивается тенденция любительской астрофотографии. Астрофотографом стать может любой желающий, а видов астрофотографии стало огромное множество: как художественная, так и натуральная. Раньше для фотографирования звездного неба у людей уходили часы, сейчас космос доступен для нас по одному щелчку камеры.

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!

Ссылки на интересные материалы:

• Выставка астрофотографий "100 ans d'astrophotographie" (ссылка);

• History of Astrophotography, Catchers of the Light (ссылка);

• The Rise and Fall of Astrophotography, Dr. Joseph S.Tenn, GRIFFITH OBSERVER, 1987 (ссылка).

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.

"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.

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.

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.

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.

• Профессия Data Scientist

• Профессия Data Analyst

• Курс по Data Engineering

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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:

• Профессия Data Scientist

• Профессия Data Analyst

• Курс по Data Engineering

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.

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.

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.

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.

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.

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!

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.

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:

Применив преобразование координат:

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.

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].

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:

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:

Если орбита объекта вытянута так, что r_a > r_p, то можем выразить эту величину как:

Рассмотрим конкретный пример звезду S2, вращающуюся вокруг центра нашей галактики Sgr A*, где расположена сверхмассивная черная дыра с M = 4 10⁶ M_солн. Масса звезды S2 составляет 14M_солн, 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.

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:

где r_avg 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'_p^3/2 этот предел r'_p^1/4.

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 r_g 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 M_с) спектр будет иметь пик в рентгеновском диапазоне (0,1-1 кэВ), а для сверхмассивных объектов (M 10⁵-10¹⁰ M_с) в ультрафиолетовом (1-100 эВ). Тепловые фотоны диска могут подвергаться комптоновскому рассеиванию на свободных электронах в т.н. короне, представляющей собой более горячее (T_e 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].

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.

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 5M_с и червоточину массой 200M_с. 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!

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.

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.

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.

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.

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.

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.

На рубеже четвертого и третьего тысячелетия до нашей эры на Земле возникли две первые цивилизации. В долине Нила после объединения верхнего и нижнего Египта образовалось Египетское царство, а в междуречье Тигра и Евфрата появились города-государства, объединенные общей культурой, которые мы сегодня называем Шумером. Одновременно с появлением этих цивилизаций возникли две системы развитого письма египетские иероглифы и шумерское письмо, которое позже превратилось в клинопись.

Если древний Египет со своими памятниками всегда был на виду, то о существовании шумеров наука узнала только в середине XIX века. Проделав огромный труд и расшифровав аккадскую клинопись, историки внезапно столкнулись с неожиданной проблемой. Часть клинописных текстов никак не получалось прочитать. Знаки были те же, но смысл не складывался. Сначала грешили на тайнопись жрецов, но потом поняли, что на самом деле столкнулись с другим более древним языком, письменность которого совпадала с аккадской. Так начался новый виток расшифровки клинописи, который в итоге привел к открытию великой шумерской цивилизации.

В чем тайна?

Сейчас мы знаем, что шумерская культура ни в чем не уступала египетской. Шумеры создали первые своды законов, ввели шестидесятиричную систему счисления, изобрели колесо, выделили зодиакальные созвездия. И это только малая часть их достижений.

Шумерская цивилизация просуществовала около тысячи лет. В конце третьего, тысячелетия до н.э. кочевые семитские племена амореев вторглись в Шумер и как волны потопа поглотили великую державу.

Но шумеры удачно выбрали материал для своей письменности. Обожженные глиняные таблички оказались на редкость живучи. Конечно, четыре тысячи лет, не пощадили и их, но что-то сохранилось и порою сохранилось неплохо. Записанные на этих табличках, до нас дошли невероятно странные мифы о не менее странных богах. Конечно, рассказы о богах во все времена были безумными, но шумеры, пожалуй, смогли по безумию обойти всех остальных сказителей.

В этот день я спущусь в подземный мир. Когда я попаду в подземный мир, оплакивай меня на развалинах. Бей за меня в барабан в святилище. Обходи за меня дома богов. Разорви себе глаза за меня, разорви себе нос за меня. Наедине разорви себе ягодицы для меня. Как нищая, одетая в одну одежду и совсем одна ступит твоя нога в Екур, дом Энлиля. Фрагмент мифа Спуск Инанны в подземный мир.

На фоне общего безумия дошедший до нас шумерских мифов отдельно стоит список шумерских царей. На КДПВ как раз призма с этим списком. Она называется призмой Вельда-Бланделла и имеет каталожный номер wb444.

Список длинный. Начинается он с перечня из восьми царей.

1-39. После того, как царство сошло с небес, царство было в Эриду. В Эриду Алулим стал царем, он правил 28800 лет. Аллалгар правил 36000 лет. 2 короля; они правили 64800 лет. Затем Эриду пал и царство перешло в Бад-Тибир. В Баде-Тибире Эн-Менлуана правил в течение 43200 лет. Эн-Менгалана правил 28800 лет. Пастух Думузи правил 36000 лет. 3 короля, они правили 108000 лет. Затем Бад-Тибир пал (?), И царство перешло в Ларак. В Лараке Эн-Сипадзидана правил 28800 лет. 1 король, он правил 28800 лет. Затем пал Ларак (?) и царство перешло к Сиппар . В Сиппаре Эн-Мендурана стал царем. Он правил 21000 лет. 1 король; он правил 21000 лет. Затем Сиппар пал (?) И царство перешло в Шуруппак. В Шуруппаке Убар-Туту стал царем. Он правил 18600 лет. 1 король, он правил 18600 лет. В 5 городах 8 королей, они правили 241200 лет. Затем нахлынул потоп.

Сразу бросается в глаза, что все цари правили невероятно долго. Кроме того правление этих восьми царей заканчивается потопом. Соответственно, возникает резонный вопрос: перед нами что-то реальное, но несколько преувеличенное или этот список продолжает безумие мифов? Среди шумерологов на это нет единой точки зрения. Одним очень хочется верить, что за фантастическими цифрами скрываются подлинные цари, а упоминание потопа - отражение какого-то реального катаклизма. Они объясняют огромные сроки желанием древних показать особую значимость царей-основателей. Но выглядит такой довод не особо убедительно. Другие полагают, что все это миф. Но и у них есть сложности с объяснением того, кому и зачем этот миф понадобился и в чем его мораль.

Но особая ценность царского списка в том, что в отличие от мифов он содержит множество вполне конкретных чисел. А значит если удастся найти рациональное объяснение, то сами числа послужат и инструментом проверки этого объяснения и его доказательством. А доказанное объяснение тайны списка, возможно, прольет свет и на историю Шумера, и на природу шумерских мифов.

Добавляет интриги то, что долгие сроки правления и случившийся в конце потоп непосредственно связывают историю шумерских царей с хорошо известной нам Библией. Самая первая книга Библии это книга Бытие, или, на греческий манер, Генезис. Первая глава Генезиса описывает сотворение мира, вторая создание рая и человека, третья соблазнение женщины змеем и изгнание человека из рая, четвертая убийство Авеля Каином. И наконец, пятая глава приводит список потомков Адама по линии его сына Сифа. И там точно так же, как в царском списке, перечисляются патриархи, жившие невероятно долго, а в конце появляется тот самый Ной, который в шестой главе строит Ковчег и в седьмой встречает на нем потоп. И такое совпадение не может быть случайным.

Принятое объяснение лежит на поверхности. Дескать, Ветхий Завет это компиляция более древних текстов. Их пересказ был сделан небрежно, коверкая и искажая оригиналы. Текст собирался воедино без особого усердия. Компиляторы лишь приблизительно сохраняли исходные сюжеты, тащили одну легенду, затем другую и как-то пытались их склеить вместе.

При всей простоте и понятности такого объяснения в нем есть существенный изъян. Оно исходит из предположения, что предки были примитивны и, чего уж там, откровенно глупы. Шумерские тексты писали люди с больной фантазией и отсутствием логики, такие же странные люди спустя две тысячи лет составляли еврейскую Библию. Затем какие-то чудаки, похожие на них, восхищались ей, и только мы сейчас, поумнев, смотрим на все это со свойственным нашему уровню цивилизации снисхождением.

Но если, все же, предположить, что все не так просто и в обоих списках есть определенный смысл, то получается, что, разгадав тайну шумерских царских списков, мы получим ключ не только к шумерским секретам, но и к разгадке библейского текста.

Дополнительно усиливает интригу тот факт, что несколько дошедших до нас вариантов царских списков содержат разные сроки правления одних и тех же царей.

И то же самое происходит с пятой главой Генезиса. Есть три разных источника: еврейская Библия, ее греческий перевод Септуагинта и самаритянское Пятикнижие. И во всех трех вариантах числа достаточно сильно отличаются друг от друга. Причем как и в случае царских списков, это не ошибка в одном-двух числах, что можно было бы списать на ошибки копирования, а некое сознательное изменение всей схемы.

В итоге имеем, что либо верно простое объяснение и предки действительно были наивны и крайне неаккуратны в переписывании, либо есть некий общий смысл, спрятанный и в царских списках, и в пятой главе и мы просто пока не понимаем этот смысл.

Машина времени

Долго занимаясь древними текстами, мы знали, что очень многое в них вращается вокруг идеи самоподобия, вокруг идеи большого в малом. Основной подмеченный древними принцип самоподобия относится к обобщению понятий, когда, переходя от частного к более общему, это общее сохраняет многие свойства частного и во многом остается подобным ему. Начиная с малого, путем обобщения, древние доходили до понятия явление, которое включало в себя вообще все известные сущности. Поскольку от явления можно обратным ходом через конкретизацию прийти к чему угодно, то получалось, что все сущее имеет некие общие черты. Отсюда естественным образом вытекала идея аллегорий, что рассказ об одном может быть перенесен на другое, где и проступит его настоящий смысл.

Одна из тем самоподобия, которая прослеживается практически во всех культурах это космос. Раз все в чем-то подобно всему, то и космос подобен многому на Земле. Особенно ярко мы это знаем по греческой мифологии, где многие боги, аллегории земных сущностей, имели свое отражение на небе. Причем небесная расстановка таких божественных созвездий передавала принципы отношений стоящих за ними земных сущностей.

Посмотрим с такой точки зрения на наш список. Царство спускается с небес на землю. Начинают править цари, а затем приходит потоп и все их царства исчезают. Повторите это про себя несколько раз и скорее всего все описанное удивительно начнет походить на смену дня и ночи. Сначала Солнце (царство) заходит за горизонт, затем появляются звезды, они царят на небе до тех пор, пока не придет рассвет, и тогда небо поглощает их, топя в своей синеве.

Идея, что потоп - это восход солнца выглядит соблазнительно. Но тогда, кто такие цари и что означают сроки их правления? Чтобы ответить на этот вопрос, мы построили машину времени и перенеслись на четыре тысячи лет назад. Сделать это оказалось не так уж сложно. Для этого понадобилось рассчитать картину звездного неба такой, какой она была во времена шумеров, рассчитать графики различных астрономических событий, наложить на них сетку правления царей и посмотреть, где найдутся какие-либо совпадения. Была написана соответствующая программа. Учитывая, что Хабр это ресурс для технарей, я приведу основные моменты расчетов. Кому-то они могут показаться познавательными, а кого-то убедят в обоснованности дальнейших выводов.

Каталог звезд можно скачать, например, с сайта NASA. Нас в нем будут интересовать только видимые невооруженным глазом звезды. Еще во II веке до н.э. древнегреческий астроном Гиппарх разделил все звезды на шесть величин. Первая величина самые яркие светила, шестая находящиеся на грани видимости. Позже оказалось, что наше зрение воспринимает яркость логарифмически, то есть каждое увеличение видимой яркости на одну звездную величину соответствует увеличению реальной яркости в определенное число раз, точнее, в 2.512 раза. В результате появилось современное деление звезд по видимым величинам. Изначально в нем за нулевую величину принимался блеск Веги, позже это значение было незначительно переопределено. Кстати, Солнце имеет видимую величину 26,7, что в 400 000 раз ярче полной Луны видимая величина которой 12,74. Оба значения со знаком минус, поскольку оба этих светила несколько ярче Веги.

Упорядочим звезды в каталоге по их видимой величине и оставим только видимые невооруженным глазом.

Фрагмент звездного каталога

Координаты звезд чаще всего принято задавать во второй экваториальной системе координат. Звездное небо это сфера, которая для наблюдателя с Земли вращается вдоль экватора. Первая экваториальная система задает положение звезд относительно земли, что неудобно, поскольку эти координаты меняются по мере суточного вращения. Вторая экваториальная система неподвижна относительно звезд, что делает их координаты постоянными. Положение каждой звезды определяется двумя величинами: склонением (dec) и прямым восхождением (ra).

Склонение равно угловому расстоянию на небесной сфере от плоскости небесного экватора до светила. Чуть сложнее с прямым восхождением. Понятно, что это величина, показывающая положение звезды на экваториальном круге, но от чего ее считать? Поскольку земля вращается, то земные ориентиры для этого непригодны. Оказалось удобно мерить от точки весеннего равноденствия (vernal equinox).

Так как земная ось наклонена по отношению к плоскости земной орбиты, то видимый годовой путь Солнца на небе, который называется эклиптикой, наклонен по отношению к плоскости экватора. В двух точках эклиптика пересекает экватор. Это происходит в дни равноденствия, когда день равен ночи. Точка, соответствующая весеннему равноденствию, и служит точкой отсчета прямого восхождения.

С течением времени положение звезд несильно, но меняется. Это связано с собственных движением светил. Чем ближе звезда к Земле, тем заметнее это движение. В каталоге приводятся скорости для каждой из звезд, что позволяет рассчитать их правильные координаты на любой момент времени. Но это только малая часть проблемы, связанной с получением древнего неба.

Основная сложность в том, что со временем меняется направление, в котором ориентирована земная ось. Это результат прецессии и нутации.

Прецессия заставляет земную ось вращаться, постепенно меняя свое направление. Период этого вращения 25 765 лет. Угол наклона земной оси от оси эклиптики около 23.5 градуса, за 13 000 лет положение севера, который сейчас в районе Полярной звезды, меняется на 47 градусов. Естественно, что на интервале требуемых нам 4000 лет влияние прецессии очень заметно.

Нутация небольшие колебания земной оси, накладывающиеся на прецессионное движение. Вклад нутации не столь велик, но он приводит к изменению самого угла наклона земной оси, что тоже стоит учитывать.

На небольших временных интервалах вклад прецессии и нутации аппроксимируются полиномами, которые хорошо справляются со своей задачей, но когда дело касается тысячелетий, приходится искать более сложные алгоритмы.

Я воспользовался статьей New precession expressions, valid for long time intervals, 2011, J. Vondrk, N. Capitaine, and P. Wallace. В ней любезно был приведен код для расчета матрицы поворота. Которая в свою очередь позволяет пересчитать координаты звезд на требуемую юлианскую дату.

Кстати, в астрономии в расчетах принято пользоваться юлианскими датами, и надо сказать, это сильно упрощает жизнь. Современный григорианский календарь более точно соответствует цикличности обращения Земли вокруг Солнца, но когда задача состоит в том, чтобы просто отмерить время, куда проще считать, что в году 365.25 дней и не заморачиваться с разрывами, возникающими из-за сложной системы вставки високосных лет.

В результате мы имеем звездное небо таким, как оно выглядело в 1840 году до н.э., а приблизительно так датируется призма wb444. Теперь попробуем полученный результат изобразить. Проблемы все те же, что и с земными картами, чем дальше от экватора, тем сильнее искажения. Будем помнить об этом. Обозначим звезды кружочками, радиусом которых обыграем их видимую звездную величину. Отложим по горизонтали прямое восхождение, а по вертикали склонение.

Млечный путь обозначим черным. Наша галактика Млечный путь имеет форму диска. Так как плоскость галактики не совпадает с плоскостью земного экватора, то на рисунке мы увидим синусоиду.

Все видимые невооруженным глазом звезды (до 6.5 видимой звездной величины). Центральная линия - линия звездного экватора

Теперь нам надо понять, что происходит со звездами во время суточного вращения Земли. И тут нам пригодится привязанная к Земле первая экваториальная система координат. Так как вращение происходит вдоль экватора, то склонения звезд не меняются и остаются теми же, что и во второй экваториальной системе. Значит, одну координату мы уже знаем. Теперь надо задать некую угловую координату, которая будет аналогом прямого восхождения. Для этого используют часовой угол.

Часовой угол светила это угол между двумя плоскостями: одна содержит ось Земли и проходит через точку на Земле, где происходит наблюдение, а другая содержит ось Земли и данную точку (часовой круг, проходящий через точку). Измеряется часовой угол либо в градусах от 0 до 360, либо в часах от 0 до 24.

Помните про точку весеннего равноденствия? В ней эклиптика, то есть годовой путь солнца по небесной сфере, весной пересекает экватор. Так вот, как и звезды, она вращается, описывая за сутки полный оборот. Ее часовой угол называют местным звездным временем. Местное это время потому, что привязано к долготе того места, где производится наблюдение.

И местное звездное время, и часовые углы звезд, и их прямые восхождения это углы, отсчитываемые вдоль экватора. Естественно, что их связывает несложная формула:

Опять же, несложно рассчитать, какой часовой угол будет у звезды в момент ее восхода или захода.

cos = -tan tan

Где - это часовой угол, - широта места наблюдения, - склонение светила.

Арккосинус даст два значения. Отрицательное значение часового угла соответствует восходу, положительное закату. Добавив к часовому углу восхода звезды ее прямое восхождение, мы получим местное звездное время ее восхода.

Почему мы заговорили о восходах и закатах? В списке царей приведены сроки неких событий. Можно предположить, что эти сроки это замеры временных интервалов между какими-то событиями, происходящими в течении ночи. А самое очевидное для наблюдения это время появления какой-либо звезды над горизонтом и момент ее захода за горизонт.

Посчитаем время восхода и заката для всех восходящих звезд. Сделаем это для широты 31.3 градуса. Именно на этой широте находится город Ларса, где была найдена призма wb444. Изобразим результат. Для этого отложим по горизонтали, например, звездное время восхода. По вертикали же изобразим положение звезды на горизонте Земли в этот момент. Нулевым значением будем считать направление на восток, сверху сделаем север, снизу юг. Для этого вычислим азимут восхода (A_восход).

cos A = sin /cos A_восход = 360 А

Азимут отсчитывается от севера. Но чтобы было нагляднее перейдем к отсчету от востока.

В результате мы получим временную развертку появления звезд на горизонте вместе с картиной того, в каком направлении этот восход происходит.

Видно, что по сравнению с предыдущей картиной синусоида млечного пути сильно исказилась. Это связано с тем, что время восхода для звезд, имеющих одинаковое прямое восхождение, будет разным в зависимости от их склонения. Ниже картина звездного неба, сделанная с длинной экспозицией. На ней видно, что для наблюдателя на Земле звезды вращаются вокруг оси, проходящей через северный полюс.

Линия, отходящая от полюса, показывает место звезд, имеющих одинаковый часовой угол. Видно, что, если одна из звезд уже взошла, то другая может быть еще глубоко за горизонтом.

Теперь надо понять, когда восходит и заходит Солнце в течение года. Для этого надо узнать экваториальные координаты Солнца на каждый из дней. Зная их, можно рассчитать звездное время восхода и захода по тем же формулам, что и для остальных звезд.

Солнце двигается по кругу эклиптики со скоростью около 1 градуса в сутки, делая полный оборот за год. В эклиптических координатах его склонение 0, а прямое восхождение меняется в течение года от 0 до 360.

Зная эклиптические координаты, можно получить экваториальные и наоборот. Для этого используются формулы перевода координат, основанные на идее вращения единичного вектора, записанного в декартовых координатах.

При этом надо иметь в виду, что угол наклона эклиптики надо брать не современный, а на требуемую нам историческую дату. К счастью, пакет программ, выполнявших расчет прецессии земной оси, вычислил для нас и новое положение оси эклиптики.

В итоге можно получить требуемые времена солнечных восходов и заходов. Но есть небольшая сложность. Так как орбита Земли не круговая, а эллиптическая, то двигается Земля по ней неравномерно. Так же неравномерно перемещается для наблюдателя с Земли и Солнце по эклиптике. Быстрее Солнце движется около 3 января (приблизительно 1 1 в сутки), а медленнее около 3 июля (57 за сутки). Это приводит к тому, что весна и лето продолжаются 186 суток, а осень и зима 179 суток.

Чтобы внести соответствующие поправки, надо применить уточненное уравнение восхода солнца.

Саму идею расчета понять несложно. Если считать, что Солнце двигается равномерно, то его долгота на эклиптике в момент весеннего равноденствия 0, в день она увеличивается на 1/365.25 градуса и за год проходит полный круг. Поправки призваны учесть эллиптичность орбиты и слегка подправить долготу в каждый из дней года. Основной вопрос: как понять, с какой фазы начинается отсчет? Для этого используют уже упомянутую нами юлианскую дату. Для удобства использования сегодня берут n, которое дает отсчет от 1 января 2000 г. В 2000 году равноденствие было на 79 день от начала года. Поэтому, рассчитывая на нашу древнюю дату и беря начало отсчета дней от равноденствия, J* можно брать как 79 + день от равноденствия - долгота места / 360.

Ниже звезды до пятой величины. По горизонтали время восхода, по вертикали положение на восточном горизонте (сверху север, снизу юг). Красные вертикальные линии - границы дня. Горизонтальная черная линия - ночь. Границы приведены на день весеннего равноденствия.

В этот момент стоит проверить себя и убедиться, что в расчетах нет ошибок. Я для этого сверялся с проектом starCharts, который кроме самого движка и интерфейса имеет подробное описание используемой математики.

Теперь пришла пора задуматься о том, что же мы, собственно, хотим увидеть. Сначала я полагал, что, возможно, в списке царей речь идет о самых ярких звездах, восходящих в течении ночи. Была идея гелиакических восходов звезд и их дат в течение года. Но все идеи, связанные со звездами, не понравились тем, что сроки правления в списке царей приведены достаточно грубо. Они указаны в сарах и нерах, один сар 3600, нер 600 единиц. Первый царь правил ровно 8 саров (28800 лет), второй ровно 10 саров (36000 лет) и так далее. Общий срок 66 саров и 6 неров. То есть точность порядка 1/60. В проекции на небо это дает неоправданно высокую погрешность в 6 градусов, странную и недопустимую для звезд. О чем тогда еще может идти речь?

Есть веские основания полагать, что шумеры были достаточно искушены в астрономии. Они знали про эклиптику и про то, что Солнце перемещается по небу, повторяя из года в год один и тот же путь. Именно шумеры выделили на небе созвездия, лежащие на пути Солнца, и дали им имена. Они же создали календарь, который хотя и был лунным, но, судя по всему, синхронизировался с солнечным годом посредством астрономических наблюдений.

Созвездия, лежащие на пути Солнца, называются зодиакальными. Эклиптика пересекает 13 таких созвездий: Овен, Телец, Близнецы, Рак, Лев, Дева, Весы, Скорпион, Змееносец, Стрелец, Козерог, Водолей, Рыбы. Змееносец со Скорпионом имеют близкую эклиптическую долготу, поэтому когда говорят о знаках зодиака, то оставляют только созвездие Скорпиона.

Принято считать, что представление о зодиакальных созвездиях, известное нам сегодня, сформировалось в Древней Греции в IV веке до н.э. во времена Евдокса Книдского. При этом известно, что еще до греков схожие представления были у вавилонян.

Самый достоверный источник относительно вавилонских знаний об астрономии это каталог звезд MUL.APIN. Самый древний его текст сохранился в копии 7-го века до н.э. на паре табличек. В них приведена разнообразная астрономическая информация и в том числе перечислены звезды и созвездия на пути Луны. А поскольку путь Луны очень близок к эклиптике, то список включил в себя всех вавилонских предшественников зодиакальных созвездий.

Кроме того, известен так называемый ниппурский календарь. Первое упоминание об этом шумерском календаре относится к XXIV веку до н.э. В этом календаре 12 месяцев и, что важно для нас, прослеживается связь названий этих месяцев с названиями вавилонских зодиакальных созвездий.

Можно предположить, что вавилонские созвездия сохранили в себе многие черты более ранних шумерских. Главное, что сам принцип деления пути Солнца на 12 приблизительно равных частей был введен шумерами и остался неизменным, перекочевав в зодиакальные созвездия. Скорее всего описанные греками зодиакальные созвездия, форма которых близка к современным, не сильно отличались от созвездий, придуманных шумерскими астрономами.

Именно зодиакальные созвездия как нельзя лучше подходят на роль царей, у которых правление одного сменяется правлением другого. Мы не знаем точных границ шумерских созвездий, но, как мы предположили ранее, во многом они могут походить на современные. Попробуем примерить царский список к зодиакальным созвездиям.

Есть три основных параметра для настройки. День года, он изменяет время восхода и заката Солнца и, соответственно, продолжительность ночи. Масштаб сетки царей. Чтобы наложить линии царей на ось, которая измеряется в часах, надо найти коэффициент, который переводит сроки правления в эти часы. Сам коэффициент будет указывать, сколько мифических лет содержится в одном часе. Ну и, кроме того, следить можно либо за восходом звезд, глядя на восток, либо за их закатом, глядя на запад.

Напомню, что по горизонтали откладывается время восхода или заката звезд, по вертикали их положение на горизонте в этот момент. Оставим только звезды зодиакальных созвездий. Выделим каждое созвездие своим цветом.

Зодиакальные созвездия (восход) и линии царей для дня летнего солнцестояния.

Пока ничего интересного не видно, но мы пока еще и не начали поиск совпадений. К чему приведет этот поиск и какие тайны раскроют нам шумерские цари я расскажу во второй части. Но если вы хотите ответов прямо сейчас, то ниже видео, где я подробно рассказываю обо всем этом. В этом видео нет математики и оно вышло немного эмоциональным, но возможно кому-то такой формат как раз и зайдет.

Алексей Редозубов (2021 год)

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.

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).

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.

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!