Что будет если в космосе включить музыку
Звук в космосе: какие мелодии рождают планеты, пульсары и кометы
В космосе никто не услышит, как вы кричите. Дело в том, что на Земле звук распространяется в виде волн в воздухе. Но в бесконечном пространстве разреженного газа и пыли его просто нет. Однако существуют еще электромагнитные и радиоволны, рентгеновское и гамма-излучение: их принимают антенной и транспонируют в слышимый человеческим ухом диапазон. «Хайтек» рассказывает, как звучат объекты в космосе — от комет, газовых гигантов и экзопланет до красных карликов в последние минуты жизни.
Читайте «Хайтек» в
Человек воспринимает звук в результате интерпретации мозгом сигнала из окружающего мира звуковыми сенсорами — ушами. Барабанная перепонка в ухе улавливает высокочастотные изменения давления воздуха, а мозг обрабатывает полученный сигнал. У звука, который слышит человек, существует диапазон — от 16 до 20 кГц. Все, что выше и ниже этих значений, недоступно для человеческого уха.
Звуковые волны — механические колебания, которые рождаются в среде в результате давления на ее частицы. Благодаря наличию кислорода среда на Земле упругая, а череда ее сжатий и растяжений позволяет звуковой волне распространяться в ней. В космосе ситуация иная: отсутствие кислорода делает невозможным распространение звука в привычном понимании.
Как звучит пульсар
В январе 2018 года радиотелескоп «Аресибо» уловил излучение пульсара PSR B1957 + 20 из созвездия Стрелы в момент супервспышки. Поток энергии уничтожил часть поверхности красного карлика, компаньона пульсара по двоичной системе «Черная вдова».
Пульсар — космический источник радио-, оптического, рентгеновского или гамма-излучений, приходящих на Землю в виде периодических всплесков, импульсов. Пульсары представляют собой вращающиеся нейтронные звезды с магнитным полем, которое наклонено к оси вращения, что вызывает модуляцию приходящего на Землю излучения.
Астрофизики из Университета Торонто конвертировали гамма-излучение пульсара в звук, который способен услышать человек, — и получили красивую мелодию, в которой красный карлик будто просит о помощи.
Музыкальное творчество астрофизиков
Чтобы люди услышали излучение небесных тел, ученым приходится транспортировать электромагнитные волны в звуковые. Результатом таких преобразований является творчество астрономов и физиков, а не хаотичный набор звуков, как в случае с записью падения камня, проезжающего поезда или шума моря.
Электромагнитные волны и другие излучения преобразуют в звук по правилам, которые придумывают сами астрофизики. В них мощность излучения или длина волны соответствуют звуку на определенной частоте или высоте. Этот процесс похож на создание светомузыки — когда тому или иному звуку соответствуют вспышка света или затухание.
Впервые астрофизики преобразовали излучение космических тел в звук в 1996 году. Тогда зонд «Галилео» передал на Землю запись электромагнитных волн, излучаемых крупнейшей планетой в Солнечной системе — Юпитером. Спустя десять лет ученые предположили, что в действительности источником волн стали заряженные частицы на спутнике газового гиганта — Ганимеде.
В январе космический аппарат «Юнона» отправил на Землю запись, которая рассказала о планете куда больше, чем запись излучения, исходящего из окрестностей газового гиганта 12-летней давности.
«Галилео» — автоматический космический аппарат НАСА, созданный для исследования Юпитера и его спутников. Аппарат был запущен в 1989 году. В 1995 году он вышел на орбиту Юпитера и проработал до 2003 года. Это был первый аппарат, вышедший на орбиту Юпитера, изучавший планету длительное время и сбросивший в ее атмосферу спускаемый зонд. Станция передала свыше 30 Гб информации, включая 14 тыс. изображений планеты и спутников, а также уникальную информацию об атмосфере Юпитера. Название станции связано с тем, что именно Галилео Галилей открыл четыре спутника Юпитера в 1610 году.
«Юнона», от англ. Juno, Jupiter Polar Orbiter — автоматическая межпланетная станция НАСА, запущенная 5 августа 2011 года для исследования Юпитера. Это второй проект в рамках программы «Новые рубежи». Выход аппарата на полярную орбиту газового гиганта произошел 5 июля 2016 года. Целью миссии является изучение гравитационного и магнитного полей планеты, а также проверка гипотезы о наличии у Юпитера твердого ядра. Кроме того, аппарат должен заняться исследованием атмосферы планеты — определением содержания в ней воды и аммиака, а также построением карты ветров, которые могут достигать скорости в 618 км/час. «Юнона» продолжит изучение районов южного и северного полюсов Юпитера, начатое АМС «Пионер-11» в 1974 году и АМС «Кассини» в 2000 году.
Зонд записал звук, который рождается в точке соприкосновения магнитных полей Юпитера и Солнца. Это область в пространстве, где заряженные частицы подлетают к Юпитеру на огромных скоростях и начинают замедляться, образуя зону повышенной плотности. Исследовательский аппарат записал звук перехода, который длился около двух часов.
Другим звуком сопровождалось прохождение гелиево-водородной плазмы или солнечного ветра через магнитное поле планеты, при котором частота и высота звука зависели от плотности плазмы.
Звук второй по размерам планеты в Солнечной системе, Сатурна, в 1977 году записал зонд «Кассини», находясь в 377 млн км от газового гиганта. Источником радиоволн ученые назвали области полярного сияния на полюсах планеты, пик которого приходится на период перед рассветом и за несколько минут до полуночи. Энерговыделения при этом варьируются от 7 до 124 ГВт, а полярное сияние длится от нескольких минут до часа. Для сравнения, энерговыделение четырех атомных блоков Чернобыльской АЭС составляло 4 ГВт.
Исходящее от Сатурна излучение отличается от радиоволн Юпитера сложной структурой — большим количеством высоких и низких тонов, а также частым изменением частоты звучания.
Звук пролетающей кометы
14 февраля 2011 года космический аппарат НАСА Stardust записал звук пролетающей кометы Tempel 1. Прибор, установленный на спутнике, записал звук ударов о корпус частиц пыли и небольших камней, в потоке которых летела комета. На аудиозаписи слышны 5 тыс. ударов, зафиксированных за 11 минут — столько времени аппарат и комета находились максимально близко друг к другу.
Спустя 3,5 года года аппарат «Филы» с зонда «Розетта» высадился на поверхность кометы Чурюмова — Герасименко и с помощью прибора Rosetta Plasma Consortium (RPC) записал колебания электромагнитных волн в магнитном поле кометы. Комета звучит на частоте 40–50 мГц, а человеческое ухо не способно его воспринять. Чтобы сделать излучение слышимым, исследователи с помощью магнитометра транспонировали эти данные в звук, увеличив их частоту в 10 тыс. раз. В результате получилось странное чириканье и щелчки.
Спустя год астрофизикам удалось понять, почему комета издает такой звук: дело в потоке заряженных частиц (плазмы), которые бомбардируют комету и вызывают необычные вибрации при прохождении через ее магнитное поле.
Возможно, самый жуткий звук из всех, что можно услышать в космосе, — шум черной дыры. Его воссоздал профессор Массачусетского технического университета Эдвард Морган на основе рентгеновского излучения, исходящего от самой большой черной дыры в Млечном пути — GRS 1915+105 в созвездии Орла.
При транспонировании излучения этого микроквазара в звук получается нота си-бемоль, но находится она на 57 октав ниже обычного звучания и на 47 октав ниже уровня, который может воспринимать человек.
В космосе множество загадок, и многие из них связаны с излучением. Например, астрофизики до сих пор не могут понять природу радиовспышек — ярких импульсов радиоизлучения длительностью в несколько миллисекунд.
Они были зафиксированы впервые в 2007 году группой Дункана Лоримера на австралийском телескопе Паркс. При этом наука не могла точно ответить на вопрос, откуда эти сигналы поступают и что является их источником. Ученые выдвигали множество теорий происхождения этого явления — от излучения сильно намагниченными нейтронными звездами в результате взрыва в сверхмассивных черных дырах до сигналов далеких цивилизаций. Однако до сих пор доподлинно известно лишь то, что они не с Земли.
Вероятно, перевод излучения в звук поможет ответить на некоторые вопросы о происхождении этого и многих других явлений, а мы услышим еще более странные и таинственные звуки Вселенной.
Пение вселенной: от «органа» большого взрыва до «сабвуфера» черной дыры
Со школьной скамьи мы знаем, что космос нем, так как воздуха там практически нет, а соответственно, звуковые волны там распространяться не могут. Кроме того, общеизвестно, что практически все космические объекты являются источниками электромагнитных волн (рентгеновских волн, гама-излучения, видимого света, инфракрасного излучения, ультрафиолета, радиоволн). Не редко частоты волн, генерируемых небесными телами, находятся в пределах слышимого спектра.
К сожалению, наши уши не могут воспринимать электромагнитные волны, но, если преобразовать их в звук, мы услышим нечто необычное, порой пугающее, и по моему субъективному мнению, завораживающее. Эти звуки с легкой руки журналистов были названы музыкой планет, звёзд, черных дыр. Большинство из них — свидетельства явлений галактического и вселенского масштаба.
«Пение» звёзд и планет принимает самые разнообразные формы: от многочастотных шумов до своеобразных ритмичных композиций. Всё это очень близко к аналоговой электронной музыке, например, экспериментальные композиции группы Bad Sector. Некоторые «голоса» небесных тел, например, Юпитера, очень напомнили мне звуки синтезатора АНС, который активно использовали Артемьев и Шнитке. В этом посте я опишу наиболее впечатлившие меня звуки окружающей нас, совсем не безмолвной вселенной, расскажу кое-что о том, как они появились и как были обнаружены.
«Органный» рокот юной вселенной
Первым звуком нашей вселенной принято считать так называемое звуковое послесвечение большого взрыва. Это волны, дошедшие до нас через 13 миллиардов лет. Через 380 000 лет после большого взрыва появилось свечение газов, открытое в 60-е годы прошлого столетия и названное «космическое микроволновое фоновое излучение»(КМФИ) или «реликтовое излучение».
По словам доктора астрономии, профессора Марка Вайттла (Mark Whittle) из университета Вирджинии, карта КМФИ, отражающая состояние вселенной в младенческом возрасте, является «отпечатком первородного крика новорождённого космоса». Как подчеркивает ученый, изменения цвета на спутниковой карте свечения говорят об изменении температуры, а те в свою очередь свидетельствуют об изменении плотности и давления в облаке газов. Волны давления – это по сути и есть звуковые волны.
Астрономы сравнивают КМФИ с космическим органом, в котором колоссальные потоки газов и энергии двигались по «трубам» из черной материи.
Дошедшие до нас, эти волны звучат так:
Космические метрономы и drum`n`base
Одним из интереснейших космических явлений являются звуки пульсаров, которые можно сравнить с метрономами и драм-машинами. Согласно принятых в астрофизике и астрономии представлений, пульсары – это вращающиеся нейтронные звёзды, которые образуются после взрыва массивных звёзд. Пульсары обладают магнитным полем, наклонённым к оси их вращения. В связи с этой особенностью, излучение, приходящее на землю, модулируется. Из полюсов пульсара исходит 2 потока излучения. От скорости вращения зависит частота ритма, создаваемая этими потоками.
В качестве примеров привожу ритмы пульсаров млечного пути:
Рёв солнечного колокола
Звуки нашего Солнца едва ли соответствуют представлениям земных обывателей о «тёплом, добром» солнышке. Низкочастотный гул, ревущие, булькающие и гудящие «импровизации» светила появляются в результате процесса конвекции, когда газы поднимаются и опускаются на поверхности звезды, создавая таким образом волны давления.
По утверждению Алекса Филиппенко, астронома из калифорнийского университета, наше Солнце создаёт 10 миллионов тонов единовременно. Количество тонов солнечной «симфонии», обнаруживается благодаря солнечным спутникам (STEREO, SOHO и др.), которые замеряют число выпуклостей от волн давления на поверхности звезды.
Звуки Солнца, записанные NASA:
«Пение» солнечных бурь
Не менее интересным явлением, на мой взгляд, являются магнитные (солнечные) бури. Звук, преобразованный и записанный во время этих явлений, не однороден. Мощные потоки мегаионизированных частиц плазмы порождают нетипичные для других явлений волны (звуки), которые фиксируются солнечными спутниками.
В качестве примера такого явления можно привести бурю, которая обрушилась на планеты солнечной системы в марте 2012-го года:
Леденящий кровь хор Юпитера
В результате влияния солнечного ветра, внутри магнитного поля Юпитера, генерируются волны, которые впервые записал аппарат NASA Вояджер-1, который 5 марта 1979 года достиг Юпитера.
Аналогичные звуки были записаны в текущем году аппаратом Juno 4, который 3 июля 2016-го года вошёл в магнитное поле крупнейшей планеты солнечной системы.
Многие из тех, кто сталкивался со звуками этой планеты, говорят о том, что их они пугают. Как я уже отмечал в начале статьи, мне необычные звуки Юпитера напомнили звучание советского аналогового синтезатора АНС и фрагменты некоторых произведений Шнитке, написанных на нём.
Вселенский рекорд «сабвуфера» черной дыры в галактике Персей А
На расстоянии 250 миллионов световых лет от Земли находится скопление из нескольких тысяч галактик, названное «скоплением Персея». В центре скопления расположена галактика «Персей А» с огромной черной дырой, которая является активным галактическим ядром. Галактическое ядро периодически выбрасывает в окружающее пространство колоссальное количество энергии. Такие энергетические «импульсы» черной дыры по сути представляют собой волны давления.
Волны Персея были обнаружены космическим телескопом «Чандра», который засёк рентгеновское излучение и смог определить его источник в 2003-м году. Фактически, если попытаться воспроизвести ноту, которая соответствует частоте волнам Персея, то мы её не услышим, так как она находится далеко за пределами нашего восприятия. Частота, на которой звучит нота – одно колебание в 10 млн лет. По расчетам ученых из NASA и американского планетарного общества – эта нота на 57 октав ниже ноты «до» первой октавы фортепьяно, т.е. в миллиарды раз ниже частоты, которую способен воспринимать человек. Сабвуфер Персея издаёт самый низкий звук во вселенной из всех известных человеку.
Полагаю, что тем, кому интересны звуки космоса, будут полезны эти ссылки:
Как НАСА записывает звук, если звук не распространяется в космосе?
НАСА зарегистрировало волны магнитного и электрического поля, связанные с космическими событиями, и перевело эти данные в слышимый человеком диапазон.
Есть бесчисленные вопросы о космосе, которые преследовали ученых на протяжении веков. Чтобы ответить на некоторые из них, мы послали орбитальные аппараты, космические корабли, а иногда даже людей, чтобы собрать образцы и сделать наблюдения, но как вы изучаете то, что не видите?
Люди, естественно, способны слышать и видеть только в определенных конкретных частотах и длинах волн. Однако в космосе множество волн, которые находятся за пределами нашего узкого восприятия, так как же мы их изучаем?
Мы переводим, переделываем и адаптируем их в соответствии с нашими потребностями, чтобы мы могли наблюдать и анализировать их. Науку просто невозможно остановить!
Почему звук не может путешествовать в космосе?
Звуковые волны в основном распространяются путем вибрации частиц в среде, т. е. молекул воздуха. Эти колебания передаются последовательным частицам в среде, что означает, что звуковые волны не могут перемещаться без среды. Причина, по которой мы не можем слышать звук в пространстве, обычно связана с отсутствием такой среды.
Мы можем утверждать, что в космосе есть облака газов, которые могут действовать как среды, но газы не присутствуют равномерно по всему пространству. Кроме того, газы обычно менее плотны в космосе, что означает, что между частицами слишком большие расстояния, поэтому вибрации не могут эффективно распространяться.
Проще говоря, звук не может путешествовать в космосе.
Как ученые слышат звуки Вселенной?
Начнем с того, что ученые фактически не могут «слышать» космические звуки, но у них есть средства для изучения космических волн, преобразуя их в звуковые волны.
Метод преобразования называется Сонификации, если он соответствует определенным критериям:
Космос полно радиоволн, плазменных волн, магнитных волн, гравитационных волн и ударных волн, которые могут путешествовать в космосе без среды. Эти волны регистрируются приборами, которые могут воспринимать эти волны, и данные передаются на наземные станции, где волны кодируются звуком.
Любой слышимый звук имеет такие переменные, как частота, амплитуда и ритм. Различные пространственные волны согласуются с различными свойствами звука (частотой, амплитудой и т. д.) в разных пропорциях, чтобы получить звук.
НАСА имеет прибор под названием EMFISIS (Electrical and Magnetic Field Instrument Suite and Integrated Science), подключенный к двум спутникам Van Allen Probes, зондовый космический аппарат, который измеряет магнитные и электрические помехи, когда они окружают Землю. Есть три электрических датчика, которые измеряют электрические возмущения и три магнетрона, которые измеряют колебания в магнитных полях. Некоторые из электромагнитных волн лежат в диапазоне слышимых частот, который служит для ученых основой для перевода оставшихся записанных частот в слышимый диапазон для интерпретации данных. Эти знания о волнах и их тонах помогают нам понять схему, которой они следуют. Кроме того, это только волны, которые находятся вблизи атмосферы Земли.
Хотя научное сообщество уже давно бурлит вопросами, связанными с Солнцем и его недрами, мы также знаем, что ни один спутник или космический аппарат не может долететь до Солнца, не сгорев. Научное наблюдение за солнцем также практически невозможно из-за его яркости. Это оставляет нам возможность наблюдать полевые волны, которые окружают солнце, и естественные вибрации, которые возникают от солнца.
Поверхность солнца является конвективной из-за звуковых волн очень низкой амплитуды. НАСА создало солнечные звуки из данных, собранных в течение 40 дней с помощью гелиосферной обсерватории (SOHO) Michelson Doppler Imager (MDI). Эти данные были обработаны следующим образом:
Это всего лишь один метод, принятый учеными для изучения звуков космоса. Есть также датчики, которые измеряют электрическую активность пыли, когда комета проходит мимо космического корабля!
Да, и космические волны далеки от того, что вы обычно слышите в кино. Не ждите грохота и свиста. Космические волны больше похожи на сирены и свистки!
Насколько полезны звуки космоса?
Десятки космических звуков прошли через процесс сонификации. Слуховая система человека уникальна в том смысле, что она может идентифицировать паттерны, поэтому мы распознаем, является ли определенный тон повторяющимся или нет. Эта возможность была использована учеными для разделения и идентификации данных.
Если вы посмотрите на набор данных и расшифруете его, было бы более разумно, если бы вы могли его услышать, а не анализировать экран всплесков или диаграмму. Вот почему Сонификация стала популярным методом анализа космических явлений.
Роберт Александр, специалист по ультразвуковой обработке в Исследовательской группе по солнечной и гелиосферной среде в Университете Мичигана, во время изучения солнечных данных услышал гул, частота которого соответствовала периоду вращения Солнца. Этот звук подразумевал, что он, вероятно, будет периодическим. Это помогло ему сделать вывод, что существуют как быстрые, так и медленные солнечные ветры, которые периодически обрушиваются на землю.
Это только один пример; сонификация также показала, что юпитерианская молния существует. Это помогло исследовать ударные волны, которые формируются, когда магнитное поле планеты препятствует солнечному ветру, и многое другое!
Ученые превратили эти звуки в музыку, применив цифровые технологии.
Эта практика сонификации была использована для инновационного сотрудничества между Европейской южной обсерваторией (ESO) стипендиатом Крисом Харрисоном и слабовидящим астрономом Университета Портсмута доктором Николасом Бонном. Доктор Бонн создал мюзикл, в котором он дал осязаемые формы звездам и черным дырам. Он и его команда переосмыслили звезды, связав громкость звука с яркостью звезды, тон с цветом звезды и так далее.
Это шоу было в основном попыткой открыть чудесный космический мир для аудитории, которая может иметь проблемы со зрением, учитывая, что астрономия в значительной степени связана со зрением и наблюдением.
звук в космосе. объясните пожалуйста будет ли слышать человек свой голос в открытом космосе?))
Как нам уже известно, звуковые волны могут двигаться только через вещества. А поскольку в межзвездном космосе таких веществ практически нет, то звук не может двигаться по этому пространству. Расстояние между частицами настолько велико, что они никогда не будут сталкиваться друг с другом. Поэтому, даже если бы Вы находились вблизи взрыва космического корабля в этом пространстве, Вы бы не услышали ни звука. С технической точки зрения, данное утверждение можно оспорить, можно попытаться доказать, что человек все же может слышать звуки в космосе.
— рассмотрим другой случай: Вы в скафандре летаете в космосе, и случайно ударяетесь шлемом о космический телескоп. По идеи, в результате столкновения должен быть слышен звук, поскольку в данном случае есть среда для звуковых волн: шлем и воздух в скафандре. Но, несмотря на это, Вы по-прежнему будете окружены вакуумом, поэтому независимый наблюдатель не услышит ни звука, даже если Вы будете биться головой о спутник много раз.
— представьте, что Вы астронавт и Вам поручено выполнить некое задание.
Вы решили выйти в космос, как вдруг вспомнили, что забыли надеть скафандр. Ваше лицо сразу же прижмет к шаттлу, в ушах не останется воздуха, поэтому вы не сможете ничего услышать. Однако, прежде чем «стальные оковы» космоса Вас задушат, Вы сможете разобрать несколько звуков через костное звукопроведение. В костной звукопроводимости, звуковые волны проходят через кости челюсти и черепа к внутреннему уху, обходя барабанную перепонку. Поскольку в данном случае нет потребности в воздухе, еще 15 секунд Вы будете слышать разговоры своих коллег в шаттле. После этого, Вы, вероятно, потеряете сознание и у вас начнется удушье.
Это все свидетельствует о том, что, как бы Голливудские создатели фильмов не изощрялись объяснить слышимые звуки в космосе, все равно, как доказано выше, в космосе человек не слышит ничего.
Каждый школьник скажет, что звук в космосе не распространяется, и что взрывы межпланетных кораблей в «Звездных войнах» это всего лишь преувеличение режиссера для пущего эффекта. Но в Интернете есть записи «голосов» Юпитера, Сатурна, Солнца, глубокого космоса.
Как так – звука нет, а «голоса» записали? Да очень просто!
Звука в космосе не слышно потому, что там безвоздушная среда, а наши уши воспринимают колебания воздуха. Но есть ещё электромагнитные волны, которые беспрепятственно распространяются в вакууме, это рентгеновское и гамма-излучения, ультрафиолет, видимый свет, инфракрасное излучение, радиоволны.
Непосредственно слышать такие электромагнитные волны мы не можем, так как наше ухо воспринимает только колебания воздушной среды. Но, как любые радиоволны, их можно принять антенной и передать на обычный динамик. Даже не надо никаких преобразований – лови, усиливай обычным усилителем звуковой частоты и слушай. Что исследователи космоса и делают – улавливают от космических объектов сверхдлинные радиоволны и записывают их.
Звук в космосе. Возможно ли это?
Как известно, особенностью звуковых волн, отличающих их от электромагнитных или гравитационных, является то, что они могут распространяться только в упругой сплошной среде. В космосе царит пустота. Типичная плотность вещества в межзвездном пространстве порядка 10 6 −10 7 атомов (в основном водорода) на один кубический метр при температуре T = 2,7 К (это около −270°C). Среднеквадратичная скорость движения таких атомов, согласно соответствующим законам молекулярной физики, определяется выражением \( v_ <ср>= \sqrt <3RT>\), где R = 8,3 Дж / (моль · град) — газовая постоянная, M — молярная масса. Для атомарного водорода M = 10 −3 кг/моль. Таким образом, для атомов водорода в межзвездном пространстве среднеквадратичная скорость будет около 250 м/с.
Такой звук нельзя воспринимать человеческим слухом, для которого характерен частотный диапазон 20–20000 Гц. Однако Вселенная огромна в пространстве (около 46 миллиардов световых лет или 43 · 10 22 км) и достаточно стара во времени (приблизительно 14 миллиардов лет), так что у звука есть возможность возникнуть в разных местах Вселенной на различных этапах ее развития. Кроме того, звук также является весьма полезным инструментом для изучения Вселенной.
Давайте попробуем совершить путешествие через пространство и время, потому что чем дальше мы сможем заглянуть в глубину Вселенной, тем на более древнем этапе ее истории мы окажемся. Начнем наше путешествие из Солнечной системы от планеты Земля.
Звук на Земле
Как вы знаете, звук обеспечивает один из самых распространенных способов общения между животными и людьми. Однако более важно, что звук также является отличным инструментом для дистанционного зондирования окружающей среды, атмосферы, океана и структуры нашей планеты (см., например, статью «Физика звука» в «Кванте» № 12 за 2018 г.).
Сначала кратко рассмотрим, как мы изучаем звук на Земле. Земная гравитация создала слоистую структуру атмосферы, океана и земной коры. Поэтому на Земле имеются условия для существования звуковых каналов, по которым звук может пробегать огромные расстояния без существенного затухания. Скорость звука возрастает с температурой, зависит от скорости ветра в атмосфере или течения в океане. В земной коре скорость звука зависит от плотности и структуры вещества, что позволяет сейсмологам находить подземные месторождения полезных ископаемых. Пробегая в океане большие расстояния, звук оказывается чувствительным к малым изменениям средней температуры океана, что может быть критерием глобального потепления (рис. 1). Несколько пересекающихся акустических путей используется для акустической томографии, которая обеспечивает 4D-изображения океанических процессов (3D-пространство плюс время).
Рис. 1. Схема акустической термометрии в Тихом океане (АТОС — акустическая термометрия океанского климата). Измеряется время распространения звука на протяженных трассах между Гавайями, Алеутскими островами и Калифорнией. Это время зависит от температуры среды
У нас имеется большое разнообразие акустических методов и инструментов для исследования структуры земной коры, океана и атмосферы здесь на Земле. И возникает естественный вопрос — можем ли мы взять их в космос для исследований на других планетах? Ответить на этот вопрос не так просто. Исследование космоса имеет ряд существенных ограничений, которые необходимо выполнять, и не все известные нам методы, которые используются на Земле, удовлетворяют этим ограничениям.
Во-первых, и, пожалуй, самое строгое ограничение, это вес полезной нагрузки. Доставка оборудования в космос — весьма дорогостоящая процедура, а многие акустические методы (особенно те, которые связаны с низкочастотными источниками звука) требуют тяжелого оборудования. Во-вторых, есть ограничения по энергопотреблению оборудования. В космосе нужно полагаться на тяжелые батареи или солнечные панели, чтобы обеспечить электрическое питание взятых в космический полет приборов. В-третьих, существует конкуренция в исследованиях разными методами. Электромагнитные и гравитационные волны не требуют упругой среды для распространения, и, таким образом, их можно использовать для дистанционного зондирования, в отличие от акустических методов, которые требуют установки измерительных приборов на планете. Поэтому акустические методы могут быть полезными там, где у них нет конкуренции. Это, прежде всего, исследование электропроводящих сред: плазма, океаны, внутренняя структура планет, куда не проникают электромагнитные волны. И наконец, нужно учитывать тот факт, что акустические методы не обязательно имеют такую же эффективность на других планетах, о которой мы знаем на Земле. Эффективность акустических методов зависит от состояния среды, в которой они используются, а давление, температура, плотность и химический состав других миров, как правило, сильно отличаются от того, к чему мы привыкли здесь, на Земле.
В этой связи важно понять, как уже используются акустические методы в космосе и какие имеются результаты, полученные с их помощью.
Исследование Луны
Рис. 2. Лунная станция «Луна-16» совершает посадку
Начало инструментального исследования Луны можно отнести к 1959 году, когда впервые рукотворный инструмент достиг поверхности естественного спутника Земли. Это была советская станция «Луна-2». В 1969 году американский космический корабль «Аполлон-11» доставил на Луну первую в истории экспедицию. Эта и последующие экспедиции (последним был полет корабля «Аполлон-17» в 1972 г.) позволили выполнить ряд наблюдений на Луне и доставили образцы лунного грунта на Землю. В это же время СССР запустил ряд автоматических лунных станций («Луна-16» в 1970 г. и последняя «Луна-24» в 1976 г.), которые также выполнили исследования на Луне и доставили на Землю лунный грунт (рис. 2).
Автоматические станции «Луна» доставляли на Землю керны лунного реголита, полученные в результате бурения на глубину более 2-х метров. Чтобы обеспечить такое бурение и получить неразрушенные керны, дополнительно использовалось ультразвуковое возмущение бура. Такая ультразвуковая технология лунного бурения позволила получить качественные образцы кернов, показавшие структуру лунного реголита. Анализ результатов этих полетов впервые дал убедительное доказательство наличия на Луне воды. Значительно позже, в 1990-х годах, американцы смогли получить аналогичные результаты. В структуре лунного грунта была обнаружена вода!
В ходе исследований по программе «Аполлон» измерялись различные физические поля на поверхности Луны, но достаточно детальную картину внутренней структуры Луны удалось получить именно акустическим методом. Акустические сигналы могли возбуждаться при старте возвращающейся ракеты либо естественными возмущениями поверхности Луны (включая падение метеоритов). Сигналы, возбужденные на поверхности, распространяются в глубь Луны, там они рассеиваются и отражаются на внутренней структуре. С помощью линейки сейсмических приемников, установленной на лунной поверхности, рассеянные внутренней структурой акустические сигналы регистрировались и затем передавались по радиоканалу связи на Землю.
Рис. 3. Внутренняя структура Луны
Стоит заметить, что хотя сейсмические и другие эксперименты на Луне были прекращены в 1977 году, полученные данные от лунных сейсмических датчиков были заново обработаны в 2010 году с применением современных вычислительных средств. Интересно, что эта обработка показала новый вид лунного ядра: твердое ядро, окруженное жидким внешним ядром, в свою очередь, окруженным слоем частично расплавленной магмы (рис. 3).
Полученный опыт сейсмических исследований на Луне успешно применятся при исследовании астероидов. Автоматическая стация устанавливает на поверхности астероида сейсмоприемники, которые регистрируют искусственные или естественные возмущения и их отражения от внутренней структуры.
Звук на Солнце
Солнце — это достаточно плотная ионизированная газовая структура. Мы не можем сомневаться в существовании звука на Солнце. Конечно, интенсивные вихри горячего газа в его верхних слоях и турбулентность создают страшный рев в широкой полосе частот. Однако на Земле мы этот рев не слышим, поскольку между Землей и Солнцем имеется 150 миллионов километров вакуума, который не пропускает звук.
В верхних слоях солнечной атмосферы температура газа ниже, чем в более глубоких слоях. По опыту исследования распространения звука в стратифицированной среде можно ожидать, что звук будет концентрироваться в области с минимальной скоростью своего распространения, т.е. в слое с минимальной температурой. Звук, рождаясь в результате турбулентных движений в конвективных зонах, распространяется таким образом, чтобы остаться в верхних слоях солнечной атмосферы (рис. 4). На глубине скорость звука и температура резко увеличиваются, и это заставляет звук возвращается обратно в конвективную зону. Солнце имеет сферическую форму, поэтому звук, распространяясь по циклическим траекториям вдоль поверхности Солнца (p-моды на рисунке 4, что соответствует волнам давления), будет усиливаться, если число таких циклов будет целым. В таком случае мы можем считать Солнце резонатором, в котором усиливаются определенные колебания — сферические моды.
Рис. 4. Слоистая структура Солнца и лучи, по которым распространяется звук. Звук, распространяющийся по целочисленным циклам, усиливается и создает сферические моды колебаний давления на поверхности (p-моды) и внутренние волны в поле тяготения (g-моды)
Заметим, что на Солнце не может быть сдвиговых волн, эффективных в сейсмических задачах на Земле или на других планетах. Солнце — это плотный газ (или жидкость), в такой среде отсутствует модуль сдвига и поэтому солнечная среда не может обеспечить распространение сдвиговой волны. На большой глубине, в радиационной зоне и ядре, существенны силы гравитации, а не упругости. Поэтому там будут распространяться не упругие волны давления, а внутренние волны, совершающие движение под действием сил плавучести (g-моды на рисунке 4). Так что это скорее гидродинамическая, а не акустическая задача. Эти волны (g-моды) затухают в области конвективных потоков и не доходят до поверхности, и поверхность Солнца не отражает информацию о ядре.
Однако в последнее время появились данные о возможности наблюдения этих слабых волн на Земле. Ядро Солнца вращается с периодом один оборот в семь дней, что намного быстрее, чем вращение радиационной и конвективной зон. Волны g-моды модулируют магнитное поле, создаваемое вращающимся ядром Солнца, и эти модуляционные составляющие с периодом в 7 дней были зарегистрированы земными магнетометрами.
Таким образом, получается, что мы можем слышать звук Солнца на Земле.
Создание нашей Вселенной с помощью звука: Большой взрыв
Принято считать, что наша Вселенная была создана в результате уникального космического явления, которое назвали «Большой взрыв». Открытие в 1964 году реликтового электромагнитного излучения является свидетельством этого события и последующего расширения Вселенной.
С момента создания нашей Вселенной и начинается история акустических волн. Сразу после Большого взрыва Вселенная представляла собой горячую кварк-глюонную плазму, которая остывала по мере расширения пространства. Из нее появились все частицы, составляющие видимую материю. Когда температура снизилась достаточно для объединения протонов и электронов в атомы, материя перешла в нейтральное состояние (рекомбинировала), а излучение отделилось от нее. Оно наблюдается сегодня в виде электромагнитного фонового излучения — реликтового излучения. Это — отправные пункты начальных этапов развития нашей Вселенной согласно теории Большого взрыва.
Особенностью этой теории является то, что она объясняет флуктуации плотности, возникшие согласно принципу неопределенности квантовой механики. В изначально горячей расширяющейся плазме, содержащей темную материю, барионы, электроны, фотоны и нейтрино, возникли области избыточной плотности вещества и области разряжения, что может быть источником звуковых волн. Возникающие в таком случае силы тяготения и силы давления противостоят друг другу и создают упругие колебания среды, очень похожие на то, как звук возникает в воздухе в результате действия быстрых перепадов давления. На начальном этапе рождения Вселенной скорости распространения этих акустических волн были вполне релятивистскими и составляли чуть больше половины скорость света!
Примерно через 380 000 лет после начала истории нашей Вселенной расширяющаяся плазма достаточно остыла (ниже 3000 К) для того, чтобы электроны и протоны смогли объединиться в устойчивые нейтральные атомы (прежде всего водорода). Это создало условия для свободного излучения фотонов. Электромагнитное излучение больше не поглощалось ионизованной плазмой, и фотоны получили возможность путешествовать на любые расстояния, потому что нейтральные атомы не могут заметно поглощать электромагнитную энергию. Когда это произошло? Флуктуации в пространстве областей повышенной плотности среды и пониженной плотности (т.е. акустические волны) как бы застыли в фазе, соответствующей акту последнего излучения, и среда потеряла упругость. В результате возникли пространственные достаточно стабильные флуктуации плотности вещества во Вселенной, которые находят свое отражение в пространственных флуктуациях реликтового электромагнитного излучения.
На рисунке 5 показана карта флуктуаций реликтового излучения, приходящего со всей небесной сферы, и эта карта отражает акустические колебания в молодой Вселенной! Но что интересного можно узнать, глядя на эту карту? Интенсивность флуктуаций реликтового излучения составляет величину от 10 −4 до 10 −5 от среднего значения. Следовательно, относительная величина флуктуаций давления в среде была того же порядка, что соответствует довольно интенсивным акустическим колебаниям. Так, звуковой шум с такими флуктуациями давления в 10 раз громче, чем уровень шума в метро. Иными словами, в молодой Вселенной существовали звуковые волны весьма существенной амплитуды. Возмущения плотности среды указывают на зародыши будущей структуры Вселенной. Галактики и скопления галактик, которые в миллион раз плотнее, чем средняя плотность Вселенной, образовались из областей молодой Вселенной с избыточной плотностью, в то время как обширные космические пустоты возникли из менее плотных ее частей.
Рис. 5. Карта фонового реликтового электромагнитного излучения Вселенной, составленная за 9-летний период спутниковых наблюдений. Из результатов был убран спектр излучения абсолютно черного тела для средней температуры межзвездного пространства 2,725 K, чтобы показать флуктуации. Желтый и красный цвета показывают более высокую температуру, синий — более низкую. Интенсивность флуктуаций реликтового излучения составляет величину от 10 −4 до 10 −5 от среднего значения
Картина распределения плотности, приведенная на рисунке 5, дает нам возможность составить представление о пространственном спектре этих флуктуаций. На рисунке 6 показан спектр флуктуаций реликтового излучения в зависимости от углового размера его источника. Прежде всего мы видим, что существует характерный угловой размер в пространственном распределении плотности, соответствующий главному максимуму в спектре. Размер пространственных флуктуаций плотности в ранней Вселенной мало отличается от 1° в нашем спектре, что свидетельствует о достаточной пространственной однородности флуктуаций. Далее, наличие дополнительных максимумов показывает возможность анализа тонкой структуры ранней Вселенной. Специалисты считают, что отношение следующего пика к первому (или нечетных к четным пикам в общем случае) определяет барионную плотность среды, тогда как третий пик информирует о плотности темной материи.
Рис. 6. Пространственный спектр флуктуаций реликтового электромагнитного излучения Вселенной
Электромагнитные волны реликтового излучения принесли нам информацию об акустических колебаниях, которые были во Вселенной миллиарды лет назад. Другое астрономическое применение звука — его использование для расширения возможности восприятия различного рода данных, особенно тех, для которых у нас нет опыта обработки. Новая информация иногда лучше воспринимается ушами, чем глазами. Например, наши глаза могут различать изображения, мелькающие с частотой не больше 10 Гц, в то время как наши уши могут воспринимать изменения в процессе с частотой до 20 кГц. Кроме того, наши уши могут быть чувствительны к нюансам, которые не очень хорошо видны на диаграммах временных рядов или на спектрах. Поэтому довольно часто разного рода электрические сигналы переводят в звук, чтобы их можно было проанализировать с помощью нашего звукового восприятия.
В качестве примера можно привести акустическое представление сигнала с лазерного интерферометра гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) при регистрации гравитационных волн во время наблюдения слияния черных дыр. Оказалось, что гравитационные волны, возникающие в этом наблюдении, возмущали лазерное излучение в акустическом диапазоне частот. Чтобы получить представление о характере гравитационного возмущения, перевели сигнал с интерферометра на громкоговоритель. И этот прием позволил выявить в шуме 0,2-секундное частотно-модулированное чириканье. Это чириканье соответствовало возрастающей скорости закручивания черных дыр в процессе слияния. Получив такое предварительное представление о характере зарегистрированного сигнала, можно уже переходить и к стандартным процедурам обработки, которые, конечно надежнее и объективнее, чем ухо.
Другим примером может быть «озвучивание» электромагнитных портретов Солнца и планет Солнечной системы. Флуктуации электромагнитного излучения от космического объекта транслируются через громкоговоритель. (С результатом можно познакомиться на сайте НАСА.) Оказывается у каждой планеты есть свой собственный ни на что не похожий акустический образ.
Заключение
Итак, как мы сможем ответить на вопрос, заданный в заголовке статьи? Возможен ли звук в космосе? Конечно, нет. Звук существует и распространяется только в упругой среде. Звук — это упругие колебания среды, т.е. колебания ее плотности, давления, температуры. Межзвездное пространство — это чрезвычайно разреженная среда. Атомы межзвездного газа пробегают от столкновения до столкновения миллиарды километров. Звук в таких условиях практически невозможен. Но Вселенная родилась со звуком. Звуковые колебания в ранней Вселенной определили во многом ее современную структуру. Толчком к образованию галактик стали акустические колебания плазмы ранней Вселенной. Поэтому без звука не было бы и нашей Вселенной!
Звук участвует в изучении космоса. Исследования структуры планет и астероидов, обнаружение воды на Луне — все это было сделано с помощью звука. Звук помогает исследовать структуру Солнца. У звука нет конкуренции в исследовании электропроводящих сред: плазма, океаны, внутренняя структура планет, куда не проникают электромагнитные волны. Таким образом, без звука наши представления о космосе, его строении и строении космических тел были бы не полными. Звук — это инструмент для исследования космоса.
Отметим, что при написании этой статьи были использованы материалы статьи «Акустика и астрономия» (J. F. Lynch. Acoustics and Astronomy), опубликованной в журнале «Акустика сегодня» (Acoustics Today, 2017, v. 13, n. 4). Тем, кого заинтересовала тема этой статьи, советуем посмотреть первоисточник. Он имеется в свободном доступе. Там же можно найти ссылки на дополнительные сайты с демонстрациями других акустических эффектов в космосе. Так, на сайте Дж. Г. Кремера из Вашингтонского университета можно познакомиться с акустической моделью звука Большого взрыва вернее — звука после Большого взрыва.