Астрофизик нашел новые математические решения старой проблемы астрономии

Теперь данные можно интерпретировать простым способом, например, для понимания планетных атмосфер. Новые формулы, вероятно, будут включены в будущие учебники.

Статья, автором которой является Кевин Хенг в сотрудничестве с Бреттом Моррисом из Национального центра компетенции в исследованиях NCCR PlanetS, которым Бернский университет управляет совместно с Женевским университетом, и Даниэлем Китцманном из CSH, была опубликована в журнале Nature Astronomy.

На протяжении тысячелетий человечество наблюдало смену фаз Луны. Подъем и падение солнечного света, отраженного от Луны, представляющей нам свои «разные лица», известны как «фазовая кривая». Измерение фазовых кривых Луны и планет Солнечной системы - это древняя ветвь астрономии, которая  насчитывает как минимум столетие. Формы этих фазовых кривых кодируют информацию о поверхностях и атмосферах этих небесных тел.

В наше время астрономы измерили фазовые кривые экзопланет с помощью космических телескопов, таких как Hubble, Spitzer, TESS и CHEOPS. Эти наблюдения сравниваются с теоретическими предсказаниями. Для этого нужен способ расчета этих фазовых кривых. Он включает поиск решения сложной математической проблемы, касающейся физики излучения.

Подходы к расчету фазовых кривых существуют с 18 века. Самое старое из этих решений восходит к швейцарскому математику, физику и астроному Иоганну Генриху Ламберту, который жил в 18 веке. Ему приписывают «закон отражения Ламберта». Проблема вычисления отраженного света от планет Солнечной системы была поставлена ​​американским астрономом Генри Норрисом Расселом в статье 1916 года. Другое известное решение 1981 года приписывается американскому исследователю Луны Брюсу Хапке, который основывался на классической работе американского лауреата Нобелевской премии индийско-американского происхождения Субраманьяна Чандрасекара в 1960 году. Хапке первым начал изучение Луны, используя математические решения фазовых кривых. Советский физик Виктор Соболев также внес важный вклад в изучение отраженного света от небесных тел в своем учебнике 1975 года.

Вдохновленный работой этих ученых, астрофизик-теоретик Кевин Хенг из Центра космоса и обитаемости CSHБернский университет открыл целое семейство новых математических решений для расчета фазовых кривых.

«Мне повезло, что эти великие ученые уже проделали эту обширную работу. Хапке открыл более простой способ записать классическое решение Чандрасекара, который, как известно, решил уравнение переноса излучения для изотропного рассеяния. Соболев понял, что проблему можно изучать как минимум в двух математических системах координат», - сказал Хенг.

Объединив эти идеи, Хенг смог записать математические решения для силы отражения (альбедо) и формы фазовой кривой, как полностью на бумаге, так и без использования компьютера.

«Новаторский аспект этих решений заключается в том, что они действительны для любого закона отражения, что означает, что их можно использовать в самых общих целях. Решающий момент наступил для меня, когда я сравнил эти расчеты, сделанные ручкой и бумагой, с тем, что сделали другие исследователи с помощью компьютерных расчетов. Я был потрясен тем, насколько хорошо они подошли», - отметил Хенг.

«Меня волнует не только открытие новой теории, но и ее основные последствия для интерпретации данных», - говорит Хенг.

Например, космический аппарат Кассини измерил фазовые кривые Юпитера в начале 2000-х годов, но глубокий анализ данных ранее не проводился, вероятно, из-за слишком больших вычислительных затрат. С помощью этого нового семейства решений Хенг смог проанализировать фазовые кривые Кассини и сделать вывод, что атмосфера Юпитера заполнена облаками, состоящими из больших частиц неправильной формы разного размера. Это параллельное исследование только что было опубликовано Astrophysical Journal Letters в сотрудничестве с экспертом по данным Cassini и планетологом Лимингом Ли из Хьюстонского университета в Техасе, США.

«Возможность записывать математические решения для фазовых кривых отраженного света на бумаге означает, что их можно использовать для анализа данных за секунды», - сказал Хенг и добавил, что это также открывает новые способы интерпретации данных, которые ранее были невозможны.

Хенг сотрудничает с Пьером Оклер-Дерротуром (ранее CSH, в настоящее время в Парижской обсерватории) для дальнейшего обобщения этих математических решений.

«Пьер Оклер-Деротур - более талантливый математик-прикладник, чем я, и мы обещаем захватывающие результаты в ближайшем будущем», - сказал Хенг.

Хенг предполагает, что эти новые решения приведут к новым способам анализа данных фазовой кривой с будущего космического телескопа Джеймса Уэбба, который должен быть запущен позже в 2021 году.

«Что меня больше всего волнует, так это то, что эти математические решения останутся в силе еще долго после того, как я уйду, и, вероятно, войдут в стандартные учебники», - сказал Хенг.

Ранее Курсор писал, что физики впервые подтвердили одну из теорий Стивена Хокинга о черных дырах. Физики впервые экспериментально подтвердили одну из теорий Стивена Хокинга о черных дырах. Теорема Хокинга предсказала, что площадь горизонта событий черной дыры никогда не может уменьшиться.

Кроме этого, физики доказали существование мнимой части квантовой механики. Международная исследовательская группа доказала, что мнимую часть квантовой механики можно наблюдать в действии в реальном мире.

Искусственный интеллект смог решить уравнение Шредингера. Уравнение Шредингера — основное уравнение нерелятивистской квантовой механики, описывающее динамику частиц.

Ранее Курсор писал, что израильские ученые решили старейшую проблему физики. Ученые Еврейского Университета в Иерусалиме во главе с профессором Бараком Колом смогли выяснить, как можно предсказать поведение системы из трех тел, обойдя существенные недостатки сегодняшних методов.

Физики сомневаются в существующей теории расширения Вселенной. Более 20 лет назад стало известно, что расширение Вселенной ускоряется, но физика этого процесса остается загадкой. Однако до сих пор не существует единого физического объяснения этого процесса.

Курсор сообщал, что на Большом адронном коллайдере нашли новую частицу. Ученые впервые обнаружили экзотическую частицу, состоящую из четырех очарованных кварков.

Эксперименты на Большом адронном коллайдере обнаружили отклонения от Стандартной модели.  Ученые, проводившие опыты на БАК, зафиксировали отклонения от теоретической Стандартной модели при распаде заряженных частиц. Это признаки так называемой Новой физики — всеобъемлющей теории, которая должна максимально полно описывать нашу Вселенную.

Ранее Курсор писал, что ученые измерили самую короткую единицу времени, а CERN одобрила план постройки нового огромного адронного коллайдера.

Напомним Курсор сообщал о том, что ученые открыли новое состояние материи.