Содержание
Призрачная прозрачность Вселенной. Чем объясняются аномалии у трети из объектов звездного неба
Космические частицы несутся почти со скоростью света через галактики и их скопления, но на своем пути они встречают препятствия — вещество, излучение, магнитные поля. Гамма-излучение высоких энергий поглощается при распространении во Вселенной из-за взаимодействия с излучением низких энергий — например, светом звезд и галактик, а также реликтовым излучением. Поэтому изучать далекие космические объекты — например, так называемые блазары, сверхмассивные ядра активных галактик, выстреливающие в нашу сторону потоки вещества с околосветовыми скоростями,— астрономам приходится с поправкой на эту «непрозрачность».
Само по себе гамма-излучение высоких энергий — это обычный свет, только с энергией фотонов в сто миллиардов раз выше, чем у видимых глазом. До поверхности Земли такое жесткое излучение, к счастью, не доходит — поглощается атмосферой. Его регистрируют с помощью специальных черенковских телескопов, стоящих на Земле.
Они реагируют на каскадные реакции в атмосфере — ливни заряженных элементарных частиц, вызванные первичными гамма-фотонами.
Уже давно ученые заметили, что некоторые космические объекты почему-то «игнорируют» непрозрачность Вселенной, и изучению именно таких аномальных источников посвящена статья главного научного сотрудника Института ядерных исследований РАН, члена-корреспондента РАН Сергея Троицкого, вышедшая в авторитетном Европейском физическом журнале. Работа была поддержана грантом Российского научного фонда 18–12–00258.
Для некоторых очень далеких блазаров наблюдается «аномальная прозрачность Вселенной» — до нас долетают от них фотоны таких энергий, которые, согласно всем расчетам, должны были бы поглощаться по пути через Вселенную, взаимодействуя со светом звезд и галактик. Примерно треть изученных источников видны с аномальной прозрачностью и две трети — с обычной. Аномальными оказались в том числе некоторые яркие и хорошо изученные источники.
В данной работе Сергей Троицкий изучил, как распределены такие «аномальные» источники по небу. Если нанести их на карту неба, сразу видно, что распределены они неравномерно. Один из «самых аномальных» источников — очень известный квазар 3C279, один из самых ярких гамма-источников на небе и один из первых открытых в 1960-х годах квазаров, расположен в созвездии Девы. Галактика, в которой мы живем, находится в перемычке, соединяющей скопления галактик в созвездиях Девы и Печи. Эту перемычку астрономы называют «местным филаментом». Она только называется нитью, а на самом деле это довольно толстый «шнур» шириной несколько мегапарсек, то есть миллионы световых лет.
Так вот, квазар 3C279 гораздо дальше, чем скопление в созвездии Девы, поэтому он виден сквозь скопление. Эта зацепка позволила понять систему: оказалось, что и другие аномальные источники видны сквозь разные элементы нашего сверхскопления галактик — близкие скопления и «местный филамент». Выглядит парадоксально: если смотреть в тех направлениях, где находятся эти структуры из галактик, Вселенная оказывается более прозрачной, чем если смотреть мимо них, через пустое место.
Внутри структур расположены галактики с большим количеством звезд, так что в них больше того, на что может «наткнуться» излучение, проходя сквозь Вселенную, и потому больше шансов для поглощения фотонов. А мы в этих направлениях видим, наоборот, аномальную прозрачность. Как же это объяснить? У ученых закрадывалась даже мысль, что у одного из черенковских телескопов сбилась калибровка и он неправильно определяет яркость объектов. Но это оказалось не так — аномальные объекты видели все телескопы.
Одно из возможных объяснений столь необычного явления — аномальная прозрачность возникает благодаря новому явлению в физике частиц, превращению фотонов в аксионы и обратно. Аксионы — это удивительные, еще не открытые экспериментально частицы, которые практически не взаимодействуют с веществом и излучением, даже слабее, чем хорошо известные нейтрино, свободно пролетающие через Солнце, Землю, людей… Поэтому для аксионов Вселенная прозрачна. Но во внешнем магнитном поле аксионы могут интенсивно превращаться в фотоны, и обратно — фотоны в аксионы.
Как раз такое магнитное поле, вероятно, существует в скоплениях галактик и филаментах. Блазары тоже находятся в филаментах (своих, далеких), вот и получается, что фотоны сначала излучаются блазарами, пролетают несколько миллионов световых лет и затем превращаются в гипотетические аксионо-подобные частицы. Они же, в свою очередь, летят уже миллиарды световых лет через межгалактическое пространство, а потом, попав в магнитное поле нашего «местного филамента», превращаются обратно в фотоны, которые и достигают Земли.
Именно такая картина аксион-фотонного смешивания в филаментах была предложена в статье 2010 года для решения другой загадки астрофизики частиц — наблюдения нейтральных частиц ультравысоких энергий от лацертид. Лацертиды — это подкласс тех же блазаров, далекие мощные источники излучения. В 2004 году в данных эксперимента HiRes, регистрировавшего космические лучи ультравысоких энергий, сотрудниками ИЯИ РАН была обнаружена загадочная корреляция направлений прихода частиц с энергиями выше 10 в 19-й степени электронвольт (то есть еще в сто миллионов раз выше!) с положениями лацертид на небе.
Корреляция была подтверждена в работе коллаборации HiRes в 2005 году, однако другие эксперименты пока не могли ее проверить из-за худшей, чем у HiRes, точности определения направления. Направления совпадали с точностью до разрешения установки, что означало, что прилетающие частицы не имеют, в отличие от основной массы космических частиц, электрического заряда (заряженные частицы отклонялись бы в космических магнитных полях). В рамках стандартной астрофизики нейтральные частицы столь высоких энергий не могут долетать с таких расстояний, и аксионное объяснение было одним из немногих работающих.
Поэтому в сегодняшней работе наряду с положениями аномальных гамма-блазаров были тем же способом проанализированы направления прихода аномальных космических частиц, зарегистрированных HiRes, на небесной сфере. Оказалось, что лацертиды, от которых они приходили, также расположены за структурами «местного филамента». Суммарная статистическая значимость двух независимых наблюдений — 4 сигма, то есть вероятность, что этот эффект получился случайно, составляет всего лишь примерно 1 случай на 16000.
Пока никаких других работающих объяснений обнаруженного эффекта, кроме аксионного, не предложено, но это не значит, что их нет. Говорить об открытии новой элементарной частицы, аксиона, таким косвенным методом пока рано.
Теперь предстоит большая работа по изучению обнаруженного эффекта. В частности, с использованием данных крупного международного эксперимента Telescope Array, изучающего космические лучи сверхвысоких энергий (участвует группа Института ядерных исследований РАН). Ученые будут пытаться независимо проверить обнаруженный в данных HiRes эффект и исследовать его, а также предложенное в данной статье «аксионное» объяснение аномальной прозрачности Вселенной для гамма-излучения очень высоких энергий.
Теги
Физика и космос
«Аномалия в работе аккумулятора». Космонавты не смогли завершить работу в открытом космосе
Наука
Проблемы со скафандром привели к тому, что внекорабельные работы российских космонавтов завершились досрочно.
Первым на МКС вернулся Олег Артемьев, вслед за ним в шлюзовой отсек отправился Денис Матвеев. О том, что произошло в открытом космосе, — в материале «Газеты.Ru».
Российские космонавты Олег Артемьев и Денис Матвеев досрочно завершили свой выход в космос, об этом в «Роскосмосе» сообщили в своем Telegram-канале. Решение о возвращении на Международную космическую станцию принял Центр управления полетами.
«Самочувствие экипажа хорошее. Незавершенные работы будут выполнены в ходе следующих выходов в открытый космос», – сообщает госкорпорация.
Ранее Артемьев, который также является спецкором ТАСС, из-за проблем со скафандром был вынужден завершить выход в открытый космос.
«Олег, это очень низкое напряжение, тебе срочно надо возвращаться. Потому что если аккумулятор совсем сядет, это не только насос, вентилятор, может связь пропасть», – сказал сотрудник ЦУПа космонавту во время переговоров.
После этого космонавт «вернулся в шлюзовой отсек и подключился к фалу для обеспечения электропитания скафандра» (Артемьев использовал «Орлан-МКС» №5 с красными полосками).
В «Роскосмосе» пояснили, что причина произошедшего – «аномалия в работе аккумуляторной батареи в скафандре».
Ситуация контролируется ЦУПом, добавили в госкорпорации. Отмечается, что здоровью космонавта ничего не угрожает.
Вслед за Артемьевых в шлюзовой отсек вернулся и Денис Матвеев, который был одет в «Орлан-МКС» №4 с синими полосками.
«Денис, начинаем перемещение в сторону шлюзового отсека. Не торопись. Доходи до укладки из-под камер, и там укладку захватим с собой», – сказал специалист Центра управления полетами.
Артемьев и Матвеев выходили в космос через выходной люк модуля «Поиск» МКС. В рамках российской программы внекорабельной деятельности они должны подготовить к работе европейский манипулятор ERA, который управляется дистанционно, обслуживая российский сегмент.
Им предстояло установить две телекамеры и отсоединить стартовые кольца с двух концевых эффекторов ERA, чтобы манипулятор стал легче. Кроме того, космонавты должны были переместить внешний пульт и протестировать управление манипулятором и если осталось бы время выполнить еще несколько задач, в том числе сменить рамку с защитными стеклами на одной из видеокамер.
Все действия космонавтов транслировались в прямом эфире с 16:20 мск.
Продолжительность выхода в космос должна была составить около семи часов, но завершилась спустя почти четыре часа. За 2022 год для российских космонавтов это был пятый выход в космос.
В предыдущий раз внекорабельные работы проводились в ночь с 21 на 22 июля. Тогда в открытый космос выходили Артемьев и астронавт Европейского космического агентства Саманта Кристофоретти. На внешнем борту МКС они провели более семи часов. За это время Артемьев и Кристофоретти запустили 10 наноспутников, сняли с модуля «Поиск» и переместили на «Науку» платформы с адаптерами. На «Поиск» установили адаптер ERA, переведя его пульт управления в режим хранения.
С помощью искусственного интеллекта обнаружено 11 новых космических аномалий
Исследователи SNAD выявили 11 ранее необнаруженных космических аномалий с помощью метода искусственного интеллекта (ИИ).
Команда изучила цифровые изображения северного неба, полученные с помощью дерева k-D в 2018 году, для обнаружения космических аномалий методом «ближайшего соседа».
Затем в исследовании использовались алгоритмы машинного обучения для автоматизации исследования.
Исследование опубликовано в New Astronomy .
Обследование неба с помощью ИИ
Количество астрономических открытий резко возросло в последние годы благодаря широкомасштабным астрономическим исследованиям. Например, Zwicky Transient Facility использует широкоугольную камеру для обзора северного неба, генерируя примерно 1,4 ТБ данных каждую ночь наблюдения, а его каталог содержит миллиарды объектов.
Однако обработка таких колоссальных объемов данных вручную чрезвычайно дорога и требует много времени. Чтобы преодолеть это, команда SNAD, состоящая из исследователей из России, Франции и США, совместно разработала автоматизированный процесс.
При анализе астрономических объектов ученые наблюдают за их кривыми блеска, которые демонстрируют изменение яркости объекта в зависимости от времени. Ученые сначала идентифицируют вспышку света в небе, а затем следят за ее эволюцией, чтобы увидеть, становится ли она ярче, слабее или гаснет.
В своем исследовании исследователи проанализировали миллион реальных кривых блеска из каталога ZTF за 2018 год и семь смоделированных живых моделей кривых типов изучаемых объектов. Они отслеживали в общей сложности 40 параметров, включая амплитуду яркости объекта и временной интервал.
Константин Маланчев, соавтор статьи и постдоктор Иллинойсского университета в Урбана-Шампейн, прокомментировал: «Мы описали свойства наших симуляций, используя набор характеристик, которые, как ожидается, будут наблюдаться у реальных астрономических тел. В наборе данных примерно из миллиона объектов мы искали сверхмощные сверхновые, сверхновые типа Ia, сверхновые типа II и события приливного разрушения. Такие классы объектов мы называем космическими аномалиями. Они либо очень редкие, с малоизвестными свойствами, либо кажутся достаточно интересными, чтобы заслуживать дальнейшего изучения».
Впоследствии команда сравнила данные кривых блеска от реальных объектов с симуляциями, используя алгоритм дерева k-D, который представляет собой геометрическую структуру данных для разделения пространства на более мелкие части путем разрезания его гиперплоскостями, плоскостями, линиями или точками.
Алгоритм использовался для сужения диапазона поиска при поиске реальных объектов с аналогичными свойствами в семи симуляциях.
Обнаружение 11 новых космических аномалий
Исследователи определили 15 ближайших соседей (реальных объектов из базы данных ZTF) для каждой симуляции – всего 105 совпадений, которые затем были визуально исследованы на наличие космических аномалий. Процесс ручной проверки подтвердил 11 космических аномалий: семь были кандидатами в сверхновые, а четыре были кандидатами в активные ядра галактик, где могли произойти события приливного разрушения.
Мария Пружинская, соавтор статьи и научный сотрудник ГАИШ, прокомментировала: «Это очень хороший результат. Помимо уже обнаруженных редких объектов нам удалось обнаружить несколько новых, ранее пропущенных астрономами. Это означает, что существующие алгоритмы поиска можно улучшить, чтобы не пропустить такие объекты».
Исследование показывает, что метод очень эффективен и прост в применении.
Более того, метод универсален и может быть использован для обнаружения любых астрономических объектов, а не только редких типов сверхновых.
Матвей Корнилов, доцент физического факультета НИУ ВШЭ, заключил: «Астрономические и астрофизические явления, которые до сих пор не открыты, на самом деле являются аномалиями. Ожидается, что их наблюдаемые проявления будут отличаться от свойств известных объектов. В будущем мы попробуем использовать наш метод для открытия новых классов объектов».
ИИ помогает обнаруживать новые космические аномалии
Кредит: Pixabay/CC0 общественное достояние
Команда SNAD, международная сеть исследователей, в которую входит доцент физического факультета НИУ ВШЭ Матвей Корнилов, обнаружила 11 ранее неизвестных космических аномалий, семь из которых являются кандидатами в сверхновые. Исследователи проанализировали цифровые изображения северного неба, сделанные в 2018 году, с помощью дерева k-D для обнаружения аномалий с помощью метода «ближайшего соседа».
Алгоритмы машинного обучения помогли автоматизировать поиск. Статья опубликована в New Astronomy 9.0040 .
Большинство астрономических открытий были основаны на наблюдениях с последующими вычислениями. Хотя общее количество наблюдений в 20 веке было еще относительно небольшим, объемы данных резко увеличились с появлением крупномасштабных астрономических обзоров. Например, Zwicky Transient Facility (ZTF), который использует широкоугольную камеру для обзора северного неба, генерирует около 1,4 ТБ данных за ночь наблюдения, а его каталог содержит миллиарды объектов. Ручная обработка таких огромных объемов данных является дорогостоящей и трудоемкой, поэтому команда исследователей SNAD из России, Франции и США объединила усилия для разработки автоматизированного решения.
Когда ученые изучают астрономические объекты, они наблюдают за их кривыми блеска, которые показывают изменения яркости объекта в зависимости от времени. Наблюдатели сначала идентифицируют вспышку света в небе, а затем следят за ее эволюцией, чтобы увидеть, становится ли свет со временем ярче или слабее, или гаснет.
В этом исследовании исследователи изучили миллион реальных кривых блеска из каталога ZTF 2018 года и семь смоделированных живых моделей кривых изучаемых типов объектов. Всего они отслеживали около 40 параметров, включая амплитуду яркости объекта и временной интервал.
«Мы описали свойства нашего моделирования, используя набор характеристик, которые, как ожидается, будут наблюдаться у реальных астрономических тел. В наборе данных примерно из миллиона объектов мы искали сверхмощные сверхновые, сверхновые типа Ia, сверхновые типа II, и приливные нарушения», — объясняет Константин Маланчев, соавтор статьи и постдокторант Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн. «Мы называем такие классы объектов аномалиями. Они либо очень редки, с малоизвестными свойствами, либо кажутся достаточно интересными, чтобы заслуживать дальнейшего изучения».
Затем данные кривых блеска реальных объектов сравнивались с данными моделирования с использованием алгоритма дерева k-D. kD-дерево — это геометрическая структура данных для разделения пространства на более мелкие части путем разрезания его гиперплоскостями, плоскостями, линиями или точками.
В текущем исследовании этот алгоритм использовался для сужения диапазона поиска при поиске реальных объектов со свойствами, аналогичными описанным в семи симуляциях.
Затем команда идентифицировала 15 ближайших соседей, то есть реальных объектов из базы данных ZTF, для каждой симуляции — всего 105 совпадений, которые исследователи затем визуально проверили на наличие аномалий. Ручная проверка подтвердила 11 аномалий, из которых семь были кандидатами в сверхновые, а четыре были кандидатами в активные ядра галактик, где могли произойти события приливного разрушения.
«Это очень хороший результат», — комментирует Мария Пружинская, соавтор статьи и научный сотрудник ГАИШ. «В дополнение к уже обнаруженным редким объектам нам удалось обнаружить несколько новых, ранее пропущенных астрономами. Это означает, что существующие алгоритмы поиска могут быть улучшены, чтобы не пропускать такие объекты».
Это исследование демонстрирует высокую эффективность метода при относительной простоте его применения.
Предлагаемый алгоритм обнаружения космических явлений определенного типа универсален и может быть использован для обнаружения любых интересных астрономических объектов, не ограничиваясь редкими типами сверхновых.
«Астрономические и астрофизические явления, которые еще не открыты, на самом деле являются аномалиями», — считает доцент физического факультета НИУ ВШЭ Матвей Корнилов. «Ожидается, что их наблюдаемые проявления будут отличаться от свойств известных объектов. В будущем мы попробуем использовать наш метод для открытия новых классов объектов».
Дополнительная информация:
П.Д. Алео и др., Анализатор переходных процессов SNAD: Поиск пропущенных переходных событий в ZTF DR4 с использованием деревьев k-D, Новая астрономия (2022). DOI: 10.1016/j.newast.2022.101846
Предоставлено
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Цитата :
ИИ помогает обнаруживать новые космические аномалии (2022, 5 августа)
получено 10 ноября 2022 г.