Сразу предупредим, что даже наш сегодняшний герой не знает, грозит ли Земле гибель из-за гамма-всплеска. Владимир Лукин, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института прикладной математики им. М.В. Келдыша строит модели гамма-всплесков, а также двойных звездных систем, где компактный объект - звезда массы Солнца, но диаметром всего тридцать километров - активно перетягивает к себе атмосферу соседки.
Владимир объясняет, почему именно сейчас перед наукой встает все больше и больше новых вопросов.
Есть разного рода проекты орбитальных обсерваторий, по типу «Спектр-РГ», когда телескоп находится в космосе и воспринимает поток излучения непосредственно, не преломленный, не затухший в земной атмосфере. Есть группы у нас в МГТУ им. Н.Э. Баумана, которые занимаются наблюдениями, связанными с регистрацией гравитационных волн. Это относительно новая задача.
Возрастает количество наблюдаемых событий. Телескопов становится больше, они повышают разрешающую способность. Возрастают наши способности по обработке наблюдений, по исследованию того, что же мы на самом деле видим. Телескопы дают сигнал в разном диапазоне: в радиодиапазоне, в оптическом, в рентгеновском. И постепенно мы начинаем видеть все больше деталей Вселенной.
Отдельная и благородная задача - атрибутировать старые наблюдения с каким-то недавно открытым процессом. Вселенная многообразна, наблюдений бездна, и зарегистрировано, скорее всего, всё, что может произойти во Вселенной. Сейчас мы активно изучаем гамма-всплески. Конечно, они были в 70-е годы, возможно, их наблюдали. Но только сейчас у нас появляются инструменты, чтобы понять, что же это такое. То же самое с гравитационными волнами и рядом других интересных астрофизических явлений. Они появляются снова просто потому, что мы смотрим на те же данные другими глазами
Гамма-всплески: популярная научная загадка
Ученые хорошо знают, что такое взрыв сверхновой: массивная старая звезда, с выгоревшим внутренним топливом, уже не может поддерживать себя изнутри, коллапсирует, и возникает черная дыра или нейтронная звезда, в зависимости от массы исходной звезды.
В случае гамма-всплеска все происходит очень быстро. Это вспышка с резким выделением энергии в гамма-диапазоне, по сути самое яркое событие во Вселенной. Струя вещества, образованная в результате пока непонятного процесса, движется с чудовищными скоростями, порядка 99% скорости света, а мы регистрируем фотоны, прошедшие через этот поток.
Исходно эти фотоны имеют привычную тепловую энергию, видимы в оптическом и радио диапазонах, а затем свою энергию резко увеличивают за счет того, что сталкиваются с очень быстро летящими электронами (т.н. эффект Комптона). Формируется спектр примерно вот такого вида.
В случае гамма-всплеска все происходит очень быстро. Это вспышка с резким выделением энергии в гамма-диапазоне, по сути самое яркое событие во Вселенной. Струя вещества, образованная в результате пока непонятного процесса, движется с чудовищными скоростями, порядка 99% скорости света, а мы регистрируем фотоны, прошедшие через этот поток.
Исходно эти фотоны имеют привычную тепловую энергию, видимы в оптическом и радио диапазонах, а затем свою энергию резко увеличивают за счет того, что сталкиваются с очень быстро летящими электронами (т.н. эффект Комптона). Формируется спектр примерно вот такого вида.
Здесь самое интересное заключается в правой части графика. По горизонтали — это энергия фотонов или их спектральные характеристики. А по вертикали — та энергия, которую мы наблюдаем в соответствующей части спектра. Стандартная звезда должна здесь иметь падающий «хвост». Но такие вспышки имеют, во-первых, этот максимум, во-вторых, у них «хвост» не падает. И очень интересно, откуда такая энергия возникает, как вещество разгоняется до таких скоростей, почему это происходит и как вообще происходит это рассеивание.
Гамма-всплески — модная среди научных журналистов и популяризаторов тема, ведь огромный поток энергии может, теоретически, сжечь всю нашу систему, а никаких способов предсказать место следующего всплеска и распространение фотонов пока не существует.
Однако ближайшая потенциальная система, которая может породить всплеск, находится от нас на расстоянии примерно 8000 световых лет и направлена так, что выброс вещества вряд ли будет направлен на Землю.
Для математиков основная сложность заключается в том, что гамма-всплесков зафиксировано не так много – всего несколько тысяч. При этом более-менее полный комплекс наблюдений имеется для гораздо меньшего количества всплесков – таких сотни, если не десятки. А для составления модели нужны достаточно подробные наблюдения, которые сложно получить: нужно зафиксировать спектр и общую яркость в развертке по времени. Новые наблюдения могут не укладываться в предыдущие представления, что порождает научную дискуссию и своего рода моду. Когда-то настолько же модной темой были пульсары: сначала казалось, что это сигнал внеземного разума в радиодиапазоне, который земляне пока не могут расшифровать. Выяснилось, что это очень быстро вращающаяся нейтронная звезда с магнитными полями, которая генерирует соответствующий сигнал. Однако это - тоже гипотеза, построенная на наблюдениях за дальним космосом.
Моделирование в науке
Основная область интересов Владимира — двойные звезды. Нейтронная звезда при массе Солнца имеет диаметр порядка 30 километров и за счет гравитационных сил начинает перетягивать на себя атмосферу соседки. Очень сильно разреженный газ начинает закручиваться вокруг нейтронной звезды.
Поскольку звезда очень маленькая, упасть на нее он не может. Кроме того, газ закручен. Это как взять на веревочку камешек, привязать и начать крутить. Пока вы будете его крутить, он не упадет. Но стоит его остановить, он начнет падать, и от него придется спасаться. Здесь та же самая история, только останавливать этот газ некому. Поэтому он крутится и формирует дисковую структуру — то, что называется аккреционный диск.
Если в раковину набрать много воды, а потом вынуть из нее пробку, там возникает воронка. Примерно такая же воронка возникает вокруг нейтронной звезды. Поскольку газ к ней может приблизиться очень близко, он очень сильно сжимается и начинает светиться, это-то свечение мы и видим. Другое дело, что понять, какое именно свечение видим, каковы его характеристики, как потоки газов взаимодействуют друг с другом — для всего этого нужна именно модель, потому что увидеть это с Земли невозможно: это очень маленькие объекты. Поэтому все, что мы можем — это попытаться вообразить, что там может быть на основе физических законов, и попробовать это дело посчитать.
В киберфизике мы часто говорим о моделировании того, что должно быть создано. В науке ситуация обратная: ученые создают все более точные модели существующих процессов. И если трехмерные модели двойных звезд существуют как минимум с 1990-х годов, то хороших моделей гамма-всплесков пока нет. Сегодня их обсчитывают на графических картах последнего поколения, но вычислительных мощностей все равно не хватает.
Но дело, конечно, не в мощности и не в наших возможностях, а в том, какие процессы мы пытаемся помыслить и как далеко сможем продвинуться в том, чтобы найти ответы. В этом плане моделирование — это очень творческая профессия, - говорит ученый. - Вселенная неисчерпаема. Там можно исследовать каждый объект, и каждый будет интересен по-своему. Главное, чего можно хотеть — чтобы мы нашли применение тем огромным физическим теориям, которые у нас есть в руках, и чтобы эти применения подтверждались сопоставлением наших моделей с наблюдением. Это деятельность, которая вызывает оптимизм, мотивирует, и ею хочется заниматься
Суперкомпьютеры в современной науке
Математики шутят, что суперкомпьютер — это компьютер, возможностей которого всего лишь на один порядок не хватает для того, чтобы обсчитать все, что им хочется.
Формальное определение ничего не объясняет: высокопроизводительная вычислительная система, которая принципиально превосходит возможности стационарных компьютеров. Фактически, суперкомпьютер — это набор мощных вычислительных машин, связанных друг с другом сетью высокоскоростных каналов, и это программное обеспечение, которое позволяет серверам работать вместе и распределять задачи.
В Институте прикладной математики несколько суперкомпьютеров; Владимир использует машину на две с половиной тысячи ядер. Если считать, что на одном сервере два процессора по четырнадцать ядер, то есть двадцать восемь ядер на один сервер, то это примерно сотня серверов, которые могут работать одновременно над одной и той же задачей, обмениваясь данными между собой по высокоскоростным каналам связи - целый этаж вычислительной техники. Все суперкомпьютеры характеризуются параллельной архитектурой: расчет выполняется не в один поток действий, а в несколько.
Формальное определение ничего не объясняет: высокопроизводительная вычислительная система, которая принципиально превосходит возможности стационарных компьютеров. Фактически, суперкомпьютер — это набор мощных вычислительных машин, связанных друг с другом сетью высокоскоростных каналов, и это программное обеспечение, которое позволяет серверам работать вместе и распределять задачи.
В Институте прикладной математики несколько суперкомпьютеров; Владимир использует машину на две с половиной тысячи ядер. Если считать, что на одном сервере два процессора по четырнадцать ядер, то есть двадцать восемь ядер на один сервер, то это примерно сотня серверов, которые могут работать одновременно над одной и той же задачей, обмениваясь данными между собой по высокоскоростным каналам связи - целый этаж вычислительной техники. Все суперкомпьютеры характеризуются параллельной архитектурой: расчет выполняется не в один поток действий, а в несколько.
Я говорю студентам: у вас в кармане в виде смартфона лежит параллельный компьютер, который по меркам 60-х годов обладает чудовищной мощностью и является настоящим суперкомпьютером. И когда люди запускали человека в космос или летали к Луне, у них мощности были меньше, чем у вас сейчас в кармане. Основная движущая сила развития компьютерной техники всегда лежала на плечах научных вычислений, связанных с конкретными задачами.
Первая такая задача — это был ядерный проект, расчет ядерного взрыва.
Вторая задача — это расчет средств доставки, ракетной техники и побочная в данном случае, но в дальнейшем хорошо развившаяся тематика космических полетов, которая родилась из работ по ракетной технике.
И ряд других направлений, связанных с дистанционным зондированием Земли
Без наблюдений никуда
Совершенствуются не только компьютеры, но и способы получения данных. Государственный астрономический институт имени П.К. Штернберга в своих высокогорных обсерваториях на Кавказе получает информацию о системе Геркулес X-1 (Her X-1) — это знаменитая тесная двойная рентгеновская система в нашей Галактике, содержащая рентгеновский пульсар (нейтронную звезду) и обычную звезду-донора (HZ Геркулеса). В разной степени готовности находятся орбитальные обсерватории: уже семь лет обсерватория Спектр-РГ собирает данные для создания карты всего неба в рентгеновском диапазоне. Научные группы в МГТУ им. Н.Э. Баумана заняты регистрацией гравитационных волн.
Владимир Лукин:
Гравитационные силы мы привыкли представлять стационарными. Но в теории относительности гравитационный потенциал описывается волновым уравнением, таким же, как распространение света. Редкие события типа взаимодействия двух нейтронных звёзд, их столкновения или поглощения создают гравитационные волны. И у нас есть группы, которые готовят к этому наблюдательную базу.
Вселенная многообразна, наблюдений бездна, и зарегистрировано, скорее всего, всё, что может произойти во Вселенной. Но мы пока не смогли сопоставить эти наблюдения с каким-то конкретным процессом. Как гамма-всплески могли фиксировать и раньше, так и гравитационные волны, и другие астрофизические явления могут найтись в старых данных, если мы посмотрим на них другими глазами.
Как стать математиком
Владимир учился в Проектном колледже № 1314, который закончили и другие наши авторы: Андрей Андрюшков, Елизавета Курапина, — и до девятого класса считал, что будет историком, а после по настоянию родителей пошел в вечернюю физико-математическую школу при МГТУ им. Н.Э. Баумана. Модный в конце девяностых инженерный бизнес и менеджмент Владимира на заинтересовал, но во время Дня открытых дверей он пришел на кафедру прикладной математики.
Тогдашний заведующий нашей кафедрой Владимир Степанович Зарубин сумел перевернуть моё сознание. Он рассказал про специальность так: кафедра готовит выпускников, которые имеют глубокую фундаментальную подготовку в физике и математике, при этом адекватно воспринимают инженерный язык, понимают, что есть приборы, конструкции, технологические процессы, и могут применить эту фундаментальную подготовку для объяснения того, что происходит в инженерных конструкциях. Именно на стыке трех сфер, трех разных языков описания мира: фундаментально-научного, инженерного и вычислительного — можно сделать что-то новое.
А на третьем курсе у нас начался курс численных методов, и мой будущий научный руководитель из Института прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН, Михаил Павлович Галанин, выдал мне список возможных тем. Среди них оказались джеты.
Джеты — это потоки вещества, которые выбрасываются из компактного объекта, например, звезды. В отличие от минутного гамма-всплеска, джеты существуют тысячелетиями. Через телескоп джеты можно пронаблюдать: они выглядят как два фонтана, хлещущих из окрестностей черной дыры. При этом фонтан из одной галактики может «пронзить» другую — это явление межгалактического масштаба.
