Ένας αστροφυσικός εξάγει νέες μαθηματικές λύσεις σε ένα παλιό πρόβλημα στην αστρονομία

Ο θεωρητικός αστροφυσικός της Βέρνης, Κέβιν Χενγκ, πέτυχε ένα σπάνιο κατόρθωμα: Στα χαρτιά, επινόησε νέες λύσεις σε ένα αρχαίο μαθηματικό πρόβλημα που χρειαζόταν για τον υπολογισμό των αντανακλάσεων του φωτός από πλανήτες και φεγγάρια. Τώρα, τα δεδομένα μπορούν να ερμηνευτούν με έναν απλό τρόπο για να κατανοήσουν τις ατμόσφαιρες των πλανητών, για παράδειγμα. Είναι πιθανό ότι οι νέοι τύποι θα ενσωματωθούν σε μελλοντικά σχολικά βιβλία.

Χιλιάδες χρόνια πριν, η ανθρωπότητα παρατήρησε τις μεταβαλλόμενες φάσεις του φεγγαριού. Η άνοδος και η πτώση του ηλιακού φωτός που αντανακλάται από το φεγγάρι, καθώς μας δείχνει τα διάφορα πρόσωπά του, είναι γνωστή ως «καμπύλη φάσης». Η μέτρηση των καμπυλών φάσης της Σελήνης και των πλανητών του Ηλιακού Συστήματος είναι ένας αρχαίος κλάδος της αστρονομίας που χρονολογείται τουλάχιστον έναν αιώνα πριν. Τα σχήματα καμπυλών φάσης κωδικοποιούν πληροφορίες για τις επιφάνειες και τις ατμόσφαιρες αυτών των ουράνιων σωμάτων. Στη σύγχρονη εποχή, οι αστρονόμοι μέτρησαν τις καμπύλες φάσης των εξωπλανητών χρησιμοποιώντας διαστημικά τηλεσκόπια όπως το Hubble, Spitzer, αυτός-τράγοςκαι CHEOPS. Αυτές οι παρατηρήσεις συγκρίνονται με θεωρητικές προβλέψεις. Για να γίνει αυτό, χρειάζεται κάποιος μια μέθοδος για τον υπολογισμό αυτών των καμπυλών φάσης. Περιλαμβάνει την αναζήτηση λύσης σε ένα δύσκολο μαθηματικό πρόβλημα που σχετίζεται με τη φυσική της ακτινοβολίας.

Μέθοδοι υπολογισμού των καμπυλών φάσης υπήρχαν από τον δέκατο όγδοο αιώνα. Η παλαιότερη από αυτές τις λύσεις χρονολογείται από τον Ελβετό μαθηματικό, φυσικό και αστρονόμο Johann Heinrich Lambert, ο οποίος έζησε τον δέκατο όγδοο αιώνα. Του αποδίδεται ο «Νόμος του Λάμπερτ της αντανάκλασης». Ο Αμερικανός αστρονόμος Henry Norris Russell έθεσε το πρόβλημα του υπολογισμού του ανακλώμενου φωτός από τους πλανήτες του Ηλιακού Συστήματος σε μια επιδραστική ερευνητική εργασία του 1916. Μια άλλη γνωστή λύση αποδόθηκε το 1981 στον Αμερικανό σεληνολόγο Bruce Happie, ο οποίος βασίστηκε στο κλασικό έργο του Ινδού -Αμερικανός νομπελίστας Subrahmanyan Chandrasekhar το 1960. Ο Hapke πρωτοστάτησε στη μελέτη του φεγγαριού χρησιμοποιώντας μαθηματικές λύσεις για καμπύλες φάσης. Ο σοβιετικός φυσικός Βίκτορ Σομπόλεφ συνέβαλε επίσης σημαντικά στη μελέτη του ανακλώμενου φωτός από τα ουράνια σώματα στο επιδραστικό εγχειρίδιο του 1975. Εμπνευσμένο από το έργο αυτών των επιστημόνων, ο θεωρητικός αστροφυσικός Κέβιν Χενγκ από το CSH Space and Habitat Center στο Πανεπιστήμιο της Βέρνης Ανακαλύψτε μια ολόκληρη σειρά νέων μαθηματικών λύσεων για τον υπολογισμό των καμπυλών φάσης. Η ερευνητική εργασία, που γράφτηκε από τον Kevin Heng σε συνεργασία με τον Brett Morris του Εθνικού Κέντρου Ικανότητας στην Έρευνα NCCR PlanetS – που διοικείται από το Πανεπιστήμιο της Βέρνης μαζί με το Πανεπιστήμιο της Γενεύης – και ο Daniel Kitsman της CSH, δημοσιεύτηκε στο φυσική αστρονομίαΤο

READ  Η βροχή με τετραπλούς μετεωρίτες κορυφώνεται αυτό το Σαββατοκύριακο και άλλα ουράνια γεγονότα το 2021

Γενικά εφαρμόσιμες λύσεις

“Wasμουν τυχερός που είχαν γίνει ήδη τόσο πλούσιες εργασίες από αυτούς τους σπουδαίους επιστήμονες. Ο Hapke ανακάλυψε έναν απλούστερο τρόπο για να γράψει την κλασική λύση του Chandrasekhar, ο οποίος ήταν διάσημος για την επίλυση της εξίσωσης ισοτροπικής ακτινοβολίας διασποράς. Ο Sobolev συνειδητοποίησε ότι μπορεί κανείς να μελετήσει πρόβλημα σε τουλάχιστον δύο μαθηματικά συστήματα συντεταγμένων ». Η Sarah Seeger επέστησε την προσοχή της Heng στο πρόβλημα συνοψίζοντας το στο σχολικό της βιβλίο του 2010.

Συνδυάζοντας αυτές τις ιδέες, ο Heng μπόρεσε να γράψει τις μαθηματικές λύσεις για τη δύναμη ανάκλασης (albedo) και το σχήμα της καμπύλης φάσης, εντελώς σε χαρτί και χωρίς να καταφύγει σε υπολογιστή. “Η κύρια πτυχή αυτών των λύσεων είναι ότι ισχύουν για κάθε νόμο προβληματισμού, πράγμα που σημαίνει ότι μπορούν να χρησιμοποιηθούν με πολύ γενικούς τρόπους. Η κρίσιμη στιγμή για μένα ήρθε όταν συνέκρινα αυτούς τους υπολογισμούς με στυλό και χαρτί με αυτό που είχαν άλλοι ερευνητές έγινε με υπολογισμούς. Με εντυπωσίασε το πόσο καλά ταιριάζουν », είπε ο Heng.”

Επιτυχής ανάλυση της καμπύλης φάσης αγοραστή

“Αυτό που με ενθουσιάζει δεν είναι μόνο η ανακάλυψη μιας νέας θεωρίας, αλλά και οι σημαντικές επιπτώσεις της στην ερμηνεία των δεδομένων”, λέει ο Heng. Για παράδειγμα, αρχείο Cassini Διαστημόπλοιο που μετρά τις καμπύλες φάσης του Ζεύς στις αρχές της δεκαετίας του 2000, αλλά δεν είχε πραγματοποιηθεί σε βάθος ανάλυση των δεδομένων προηγουμένως, πιθανώς επειδή οι υπολογισμοί ήταν πολύ δαπανηροί υπολογιστικά. Με αυτό το νέο σύνολο λύσεων, ο Heng μπόρεσε να αναλύσει τις καμπύλες φάσης του Cassini και κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η ατμόσφαιρα του Δία είναι γεμάτη από σύννεφα που αποτελούνται από μεγάλα, ακανόνιστα σωματίδια διαφορετικών μεγεθών. Αυτή η παράλληλη μελέτη μόλις δημοσιεύτηκε από τον Επιστολές Αστροφυσικής Εφημερίδας, Σε συνεργασία με τον εμπειρογνώμονα δεδομένων Cassini και τον πλανητή επιστήμονα Liming Li από το Πανεπιστήμιο του Χιούστον στο Τέξας, ΗΠΑ

READ  Κορονοϊός της Φλόριντα: "Αυτή η πανδημία είναι ο δεύτερος παγκόσμιος πόλεμος". Πώς ένα νοσοκομείο της Αγίας Πετρούπολης παλεύει να σώσει ασθενείς της ΜΕΘ

Νέες δυνατότητες ανάλυσης δεδομένων από διαστημικά τηλεσκόπια

“Η ικανότητα γραφής μαθηματικών λύσεων στις καμπύλες φάσης του ανακλώμενου φωτός σε χαρτί σημαίνει ότι μπορεί κανείς να τις χρησιμοποιήσει για την ανάλυση δεδομένων σε δευτερόλεπτα”, δήλωσε ο Heng. Ανοίγει νέους τρόπους για την ερμηνεία δεδομένων που ήταν προηγουμένως ανεφάρμοστα. Ο Heng συνεργάζεται με τον Pierre Auclair-Desrotour (πρώην CSH, τώρα στο Παρατηρητήριο του Παρισιού) για τη διάδοση αυτών των μαθηματικών λύσεων. “Ο Pierre Auclair-Desroetour είναι πιο ταλαντούχος μαθηματικός από μένα και σας υπόσχομαστε συναρπαστικά αποτελέσματα στο εγγύς μέλλον”, δήλωσε ο Heng.

Στο φυσική αστρονομία Ο Paper, ο Heng και οι συνεργάτες του απέδειξαν μια νέα μέθοδο για ανάλυση καμπύλης φάσης εξωηλιακός πλανήτης Kepler-7b από το διαστημικό τηλεσκόπιο Kepler. Ο Brett Morris ήταν επικεφαλής του τμήματος ανάλυσης δεδομένων της εργασίας. “Ο Brett Morris ηγείται της ανάλυσης δεδομένων για την αποστολή CHEOPS στην ερευνητική μου ομάδα και η σύγχρονη προσέγγισή του στην επιστήμη των δεδομένων ήταν καθοριστική για την επιτυχή εφαρμογή μαθηματικών λύσεων σε πραγματικά δεδομένα”, εξήγησε ο Heng. Αυτή τη στιγμή συνεργάζονται με επιστήμονες από το διαστημικό τηλεσκόπιο TESS υπό την ηγεσία των ΗΠΑ για την ανάλυση δεδομένων καμπύλης φάσης TESS. Ο Heng οραματίζεται ότι αυτές οι νέες λύσεις θα οδηγήσουν σε νέους τρόπους ανάλυσης δεδομένων καμπύλης φάσης από τα επόμενα 10 δισεκατομμύρια δολάρια Διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb, το οποίο αναμένεται να κυκλοφορήσει αργότερα το 2021. «Αυτό που με ενθουσιάζει περισσότερο είναι ότι αυτές οι μαθηματικές λύσεις θα παραμείνουν έγκυρες πολύ μετά την εξαφάνισή μου και πιθανότατα θα μπουν στα τυπικά σχολικά βιβλία», είπε ο Χενγκ.

READ  16 Ψυχή - ένας αστεροειδής που θα μπορούσε να κάνει κάθε άτομο στη Γη δισεκατομμυριούχο

Βιβλιογραφικές αναφορές:

“Κλειστές λύσεις για αρχάριους σε γεωμετρικούς χείλους και καμπύλες φάσης αντανακλαστικής για εξωπλανήτες” των Kevin Heng, Brett Morris και Daniel Kitsman, 30 Αυγούστου 2021 Διαθέσιμο εδώ φυσική αστρονομίαΤο
DOI: 10.1038 / s41550-021-01444-7

“Jupiter as a Exoplanet: Insights from Cassini Phase Curves” των Kevin Heng και Liming Li, 11 Μαρτίου 2021 Διαθέσιμο Επιστροφές Επιστροφών ΑστροφυσικήςΤο
DOI: 10.3847 / 2041-8213 / abe872

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *