Главная Новости Швейцарский астрофизик совершил революцию в планетологии

Швейцарский астрофизик совершил революцию в планетологии

Бернский астрофизик-теоретик Кевин Хенг совершил подвиг: на бумаге он вывел новое решение старой математической проблемы, необходимой для расчета отражения света от планет и их спутников. Теперь астрономические данные могут быть интерпретированы простым способом, например, для описания планетарных атмосфер. Новые формулы, вероятно, будут включены в будущие учебники.

Проблема фазовых кривых

На протяжении тысячелетий человечество наблюдало за изменением фаз Луны. Рост и спад солнечного света, отраженного от Луны, когда она предстает перед нами в разных обличиях, известен как "фазовая кривая". Измерение фазовых кривых Луны и планет Солнечной системы - это древняя отрасль астрономии, которая насчитывает не менее 3000 лет.

Астрофизик нашел простой способ расчета фазовых кривых планет

Формы этих фазовых кривых содержат информацию о поверхностях и атмосферах этих небесных тел. В наше время астрономы измеряют фазовые кривые экзопланет с помощью космических телескопов, таких как Hubble, Spitzer, TESS и CHEOPS. Эти наблюдения сравниваются с теоретическими предсказаниями. Для этого необходим универсальный способ расчета, так как математическое моделирование предполагает поиск решения сложной задачи, связанной с физикой 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, жившему в 1700-х годах. Ему приписывается "закон отражения Ламберта".

Проблема расчета отраженного света от планет Солнечной системы была поставлена американским астрономом Генри Норрисом Расселом во влиятельной работе 1916 года.

Другое известное решение 1981 года приписывается американскому ученому Брюсу Хапке, который развил классическую работу индийско-американского нобелевского лауреата Субрахманьяна Чандрасекхара 1950-х гг. Хапке стал пионером в изучении Луны с помощью математических решений фазовых кривых.

Вдохновленный работой этих ученых, астрофизик-теоретик Кевин Хенг из Центра космоса и обитаемости CSH при Бернском университете открыл целое семейство новых математических решений для расчета фазовых кривых. Статья, написанная им в сотрудничестве с Бреттом Моррисом из Национального центра компетенции в области исследований NCCR PlanetS, которым Бернский университет управляет совместно с Женевским университетом и Даниэлем Китцманом из CSH, только что опубликована в журнале Nature Astronomy.

Общеприменимые решения

"Мне повезло, что эта богатая работа уже была проделана этими великими учеными. Хапке нашел более простой способ записать классическое решение Чандрасекхара, который решил уравнение переноса излучения для изотропного рассеяния". Сара Сигер привлекла внимание Хенга к этой проблеме, кратко описав ее в своем учебнике 2010 года.

Объединив все эти идеи, Хенг смог записать математические решения для силы отражения (альбедо) и формы фазовой кривой, причем полностью на бумаге и не прибегая к помощи компьютера.

"Новаторский аспект этих решений заключается в том, что они действительны для любого закона отражения, что означает, что их можно использовать в очень общем виде. Определяющий момент наступил для меня, когда я сравнил эти расчеты на бумаге с тем, что другие исследователи сделали с помощью компьютерных вычислений. Я был потрясен тем, насколько хорошо они совпали", - говорит Хенг.

Успешный анализ фазовой кривой Юпитера

"Меня волнует не только открытие новой теории, но и ее важные последствия для интерпретации данных", - говорит Хенг.

Фазовые кривые экзопланет

Например, космический аппарат "Кассини" измерил фазовые кривые Юпитера в начале 2000-х годов, но глубокий анализ этих данных ранее не проводился, вероятно, потому, что расчеты были слишком дорогими для вычислений. С помощью нового семейства решений Хенг смог проанализировать фазовые кривые Кассини и сделать вывод о том, что атмосфера Юпитера заполнена облаками, состоящими из крупных, неправильных массивов разного размера. Это параллельное исследование только что опубликовано в Astrophysical Journal Letters в сотрудничестве с экспертом по данным "Кассини" и планетологом Лимингом Ли из Хьюстонского университета в Техасе, США.

Новые возможности для анализа данных с космических телескопов

"Возможность записать математические решения для фазовых кривых отраженного света на бумаге означает, что их можно использовать для анализа данных за считанные секунды, - говорит Хенг. Это открывает новые способы интерпретации данных, которые ранее были неосуществимы".

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

"Пьер Оклер-Десротур - более талантливый прикладной математик, чем я, и мы обещаем интересные результаты в ближайшем будущем", - интригует Хенг.

В статье Nature Astronomy Хенг и его соавторы продемонстрировали новый способ анализа фазовой кривой экзопланеты Kepler-7b, полученной с помощью космического телескопа Kepler.

Бретт Моррис руководил частью работы по анализу данных.

"Бретт Моррис руководит анализом данных для миссии CHEOPS в моей исследовательской группе, и его современный подход к науке имел решающее значение для успешного применения математических решений к реальным данным", - пояснил Хенг.

В настоящее время они сотрудничают с учеными из американского космического телескопа TESS для анализа данных фазовой кривой TESS.

Хенг предполагает, что эти решения приведут к появлению новых способов анализа данных фазовых кривых с будущего космического телескопа имени Джеймса Вебба.

"Больше всего меня радует то, что эти математические решения останутся актуальными еще долго после того, как я уйду из жизни, и, возможно, войдут в стандартные учебники", - планирует Хенг.

Дата: 2021-09-04

Автор: Всеволод Гордиенко

Поделиться с друзьями: