обнаружение астрофизических сигналов

На заключительном этапе эволюции массивной звезды её ядро стремительно сжимается за доли секунды, порождая вспышку сверхновой — взрыв, отмечающий гибель светила. Этот катаклизм возмущает само пространство-время, испуская гравитационные волны — рябь, которая распространяется сквозь Вселенную, подобно кругам на воде от брошенного камня.

Двести миллионов звёзд. В центре Галактики, куда нацелится будущий обзор телескопа Нэнси Грейс Роман, примерно 250 раз за миссию свет одной из них дрогнет от невидимого прикосновения. Это свободно плавающие планеты — миры, выброшенные из родных систем, — и экзопланеты земного типа, кружащие у далёких солнц.

Художник делает быстрый набросок углём — и лицо на портрете уже узнаваемо. Астрофизики решают схожую задачу: спектр звезды — это её индивидуальный портрет, раскрывающий температуру, состав, силу тяжести. До недавнего времени для получения такого портрета требовалась кропотливая «живопись маслом» — код радиативного переноса в условиях отклонения от локального теплового равновесия (non-LTE).

Когда звезда-исполин схлопывается в сверхновую или два нейтронных шара сливаются в космическом танце, триллионы нейтрино уносят энергию катаклизма.

Нейтронные звёзды — последние сгустки видимой материи перед падением в чёрную дыру. В их недрах материя сжата до триллионных плотностей. Здесь ядерные силы и гравитация сплетаются в экзотическую субстанцию, недоступную никакому земному ускорителю.

Гамма-небо, запечатлённое телескопом Fermi, — это грандиозная симфония из тысяч источников. Здесь ритмичные пульсации пульсаров, мощные аккорды активных ядер галактик, но больше всего — неотождествлённых объектов, чья партия остаётся загадкой.

Ещё в 1967 году Джоселин Белл Бернелл уловила первый «голос» нейтронной звезды — строгий пульс пульсара. Сегодня радиоастрономы вслушиваются в куда более мимолётные сигналы — быстрые радиовсплески (FRB), длящиеся миллисекунды и приходящие из далёких галактик.

SETI десятилетиями охотился за сферами Дайсона — гипотетическими оболочками, улавливающими свет звезды и переизлучающими его в инфракрасном. Но космос молчит. Возможно, иной разум действует изящнее: не собирает свет, а обуздывает вращение светила, как гигантский маховик. В осевом кручении заключена энергия 2.3×10³⁵ Дж — достаточно, чтобы питать цивилизацию миллиарды лет.

Полвека назад Фриц Цвикки заметил, что видимой материи в скоплениях галактик катастрофически не хватает для объяснения гравитации. Сегодня мы знаем, что значительная часть обычного вещества — те самые барионы — прячется в разреженной плазме между звёздами и галактиками, в гигантской паутине из водорода и гелия.

Чёрная дыра — не застывшая пустота, а живой магнитный двигатель. Её «сердце» — аккреционный диск — пульсирует: вдох — вещество закручивается в воронку, выдох — магнитное пересоединение разрывает силовые линии, и плазма выстреливает прочь от горизонта.

Где-то в глубине космоса на долю секунды вспыхивает радиомаяк — и гаснет. Такие сигналы называют быстрыми радиовсплесками. Они приходят из других галактик и длятся от микросекунд до миллисекунд. За это мгновение всплеск выбрасывает столько же энергии, сколько самые мощные взрывы на нейтронных звёздах в нашем Млечном Пути.

Вселенная — огромный оркестр, исполняющий партитуру расширения. Галактики разбегаются в такт неслышной музыке тёмной энергии. Но вот беда: дирижёрская палочка, которую держат Эдвин Хаббл, Адам Рисс и Вера Рубин, задаёт два несовместимых темпа.

Когда две нейтронные звезды — сжатые до размеров города — сближаются в финальном танце, пространство-время вокруг них оживает, испуская гравитационные волны.

Любое измерение света упирается в фундаментальный предел: фотоны попадают на матрицу камеры не равномерным потоком, а случайными порциями. Эта естественная рябь — дробовой шум — размывает тонкие детали. Аналогия: вы пытаетесь расслышать тихий инструмент в оркестре, но шум зала мешает уловить нюансы. Новый метод FDD меняет тактику.

Поиск внеземных сигналов — это попытка расслышать шёпот на ревущем стадионе. Радиотелескоп Грин-Бэнк прослушал 70 000 звёзд, но 100 миллионов зарегистрированных всплесков оказались земным радиочастотным шумом — помехами от мобильных телефонов, спутников, микроволновых печей.

Если сфотографировать одну и ту же гору на плёночный фотоаппарат и на современный смартфон, получатся разные изображения: где-то цвета ярче, где-то детали размыты. Так и с телескопами: каждый инструмент видит небо по-своему, добавляя к настоящему свету галактик собственные искажения — как фильтр, через который мы смотрим. Новая работа предлагает способ убрать этот «фильтр».

Чтобы разглядеть тусклую звезду над ярким ночным городом, астрономы применяют метод вычитания кадров: из одного снимка неба вычитают другой, убирая постоянное сияние фонарей и оставляя только переменные объекты.

На дне океана лежат тысячи километров оптоволоконных кабелей. По ним бежит интернет, но сами кабели чувствуют малейшие колебания воды и дна. Если прислушаться к такому кабелю, можно услышать, как поёт синий кит или как дрожит земля за тысячи километров. Учёные подключили к кабелю в заливе Монтерей прибор, который записывает эти колебания.

Звезда вроде Солнца не просто светит — она тихо гудит. Внутри неё бурлит плазма, и эти движения заставляют поверхность ритмично подниматься и опускаться. Уловить такую дрожь с Земли почти невозможно: она тонет в шуме атмосферы и самого прибора. Поэтому астрономы слушают звёзды из космоса, где тише. Чтобы понять, слышна ли звезда, вычисляют силу её «голоса» на фоне помех.

Ночное небо на снимке телескопа похоже на фотографию, сделанную через запотевшее стекло: яркие звёзды видны, но всё слабое тонет в мутной пелене. Эта пелена — шум, случайные помехи от электроники, тепла и самой атмосферы. Часть шума повторяется от снимка к снимку, как царапина на стекле, и её можно вычислить и убрать. Алгоритм ASTERIS делает именно это.

Шесть лет подряд телескоп HARPS-N на острове Ла-Пальма смотрел на Солнце как на чужую звезду — снимал спектры, следил за яркостью, записывал каждое дрожание линий. Всё это нужно, чтобы понять, как отличить слабое качание звезды от настоящего сигнала планеты. Звезда не стоит на месте: её поверхность кипит, как кастрюля с супом. Всплывают горячие пузыри, появляются пятна, меняется магнитное поле.

Звезда дрожит, как колокол после удара. Эти дрожания — крошечные колебания яркости и поверхности — можно поймать телескопом. По частотам таких «звёздных нот» астрономы судят о том, что творится внутри: сколько звезде лет, как она устроена. Но чтобы расшифровать мелодию, раньше нужно было перебирать тысячи моделей — долго и дорого. Теперь появился инструмент PITCHFORK — нейросеть с разветвлённой архитектурой.

Галактика напоминает ночной мегаполис: большинство окон светится ровным, привычным светом, но иногда целый небоскрёб внезапно озаряется всеми огнями и мгновенно гаснет. Похожий сценарий, согласно новой гипотезе об экзопланетах — планетах у иных звёзд (экзопланетной), — может стать нашим первым свидетельством существования другой цивилизации.