Не кинокритик. Не палеонтолог. (plakhov) wrote,
Не кинокритик. Не палеонтолог.
plakhov

Category:

Очень серьезное про инопланетян с KIC 8462852

Я тут решил поиграть в астродетектива и попробовать понять, что всё-таки творится со звездой KIC 8462852. Это очень интересная загадка: найдено какое-то явление, уникальное в масштабах известной Вселенной, все имеющиеся данные доступны, буквально можно скачать и что-то начинать делать, даже не будучи профессионалом, но ничего похожего на решение вот уже несколько лет нет. Я посмотрел на данные, что-то интересное, как мне кажется, смог понять, и сейчас расскажу, что. Это не полная разгадка, конечно же, а всего лишь некоторое продвижение по самой волшебной и загадочной ветке размышлений. Конкретнее, вопрос такой: если вокруг ЧЗХ-звезды все-таки вращаются искусственные мегасооружения, то что мы уже сейчас можем сказать об их размерах, форме и орбитах? Достаточно ли это "реалистично" будет выглядеть, будет ли результат такого подсчета скорее в пользу астроинженерной гипотезы, или скорее против неё? Этим вопросом профессиональные астрономы почти не занимаются, несолидно, а обывателей типа меня он как раз интересует сильнее всего.

TL;DR или что у меня получилось:
- задача очень понятная и хорошо формализуемая! Можно буквально садиться и код писать
- наиболее перспективно подходящая под имеющиеся данные конфигурация выглядит так: множество длинных "лент", выглядящих как отдельные небольшие отрезки мира-кольца Нивена (или орбитали Бэнкса, это примерно один и тот же объект)
- ленты разного размера, очень длинные (самые большие -- пара десятков миллионов километров, примерно два угловых градуса всей орбиты или пятьсот экваторов Земли), относительно узкие (миллион километров в самом широком месте, но обычно намного уже), переменной ширины (сильно сужаются к краям), слева направо несимметричные
- вращаются на расстоянии порядка 2-3 астрономических единиц от звезды, что, с учетом её светимости в 4,7 раз сильнее Солнца, как раз середина обитаемой зоны; это очень круто, т.к. специально под такой ответ я ничего не подгонял!
- "год" составляет примерно пять земных лет. Это тоже важно, т.к, если я прав, то мы имеем шанс узнать об этом уже в текущем году, потому что повторится событие 2011 года с тем же профилем (если, конечно, мы уже не пропустили его где-нибудь в январе-феврале, когда за звездой никто не следил зла не хватает)

Что нужно знать, чтобы следить за моими рассуждениями:
1) что-нибудь про саму звезду. Начать можно с Википедии: https://ru.wikipedia.org/wiki/KIC_8462852
2) что именно делает телескоп Кеплер, и как вообще ищут экзопланеты транзитным методом: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D1%80%D0%B0%D0%BD%D0%B7%D0%B8%D1%82%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BC%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4
Основная идея в том, что большинство открытых человечеством "экзопланет", на самом деле, всего лишь участки на графиках светимости звезд, выглядящие примерно так:

Поскольку звёзды от нас экстремально далеко, мы видим их просто как точечные источники света, и всё, что нам доступно (за исключением некоторых довольно близких звёзд), это ловить изменение их светимости, когда предполагаемая планета закрывает от нас часть диска звезды, проходя между ней и нами. Вот ролик, в котором это наглядно показано: https://www.youtube.com/watch?v=RrusIZaWDW8
Всё, что мы можем наблюдать, это график в нижней половине ролика, но восстановить по нему можно довольно многое, например, размеры планеты легко вычисляются из отношения минимума светимости при транзите к максимуму (остановитесь в этом месте, и поймите в уме, как именно, чтобы свыкнуться с предметной областью; иначе дальше будет сложно). Одна из особенностей ситуации, радикально всё упрощающая, состоит в том, что даже ближайшие звёзды от нас в тысячи раз дальше, чем расстояния внутри звёздной системы, поэтому можно не делать никаких поправок на перспективу: если нечто закрывает 1% диска, значит, радиус этого нечто именно 10% радиуса звезды, а тот уже известен из астрофизики с хорошей точностью (нам неважно, каким образом, главное, что известен).

Телескоп Кеплер почти непрерывно несколько лет отсматривал примерно 150 000 звёзд, и непрерывно передавал на Землю логи наблюдений. Все эти логи можно, например, скачать (хотя это и весьма небыстро, там сотни гигабайт), и что-нибудь посчитать. Например, показать deep learning-у несколько экзопланет, после чего найти их все разом и войти в историю науки. На всякий случай, это была шутка. Если захотите так и сделать, быстро поймёте, почему.

Это типичные логи, многие коллеги из Яндекса поймут, что я имею в виду: битые пиксели? легко! левые объекты в Солнечной системе, проходящие на фоне поля зрения Кеплера? постоянно! случайные единичные NaN-ы? без проблем! Ну и всякие системные вещи, типа "разогрева" стартующего датчика, создающего иллюзию тренда светимости там, где его на самом деле нет, коррекции положения телескопа и тд и тп. Поэтому поверх этих логов уже проделана большая работа: привязка пикселей к конкретным объектам, объединение их в user_sessions кривые светимости для каждого из объектов (ага), очистка и препроцессинг (ага-ага), включающая какой-то довольно хитрый EM-алгоритм. В общем, кто парсил логи в Яндексе (или в mail.ru или ещё где), поймут, о чём я. Все звенья этой цепочки важны, но никакому нельзя доверять. Я не очень удивлюсь (но очень расстроюсь, конечно), если разгадка тайны KIC 8462852 окажется вызывающей мучительный стыд у всех, а особенно у Табиты Бояджян, которой все поверили насчет того, что она сотоварищи всё перепроверила на предмет инструментальных ошибок.

В общем, объект, с которым все работают, называется кривая светимости (lightcurve): набор timestamp-ов и показаний детекторов в эти моменты времени. Я на всякий случай сам распарсил его из данных Кеплера конкретно для звезды KIC 8462852 и сложил вот сюда: https://yadi.sk/d/BZwkaZKksReWZ. Если кто захочет посмотреть на них сам, пишите комментарий, я расскажу про формат, там всё очень просто (например, можно грузить в Excel "как есть"). Это буквально те же данные, что на вики тут, только в цифрах и включая как обработанные стандартным препроцессингом, так и необработанные значения и доверительные интервалы.

Давайте посмотрим на графики. Изначально я, как, наверное, и все, кто о задаче узнал из СМИ, думал, что главная проблема -- слишком большой процент затемнения, в пике раз в двадцать больше, чем при прохождении самой большой планеты. Оказывается, главная проблема не в этом (точнее, не столько в этом). Посмотрите, например, на эти два замечательных участка, и попытайтесь мысленно представить себе объект, который мог их породить, проходя по диску звезды:

Плохо получается, правда? Любой более-менее сферический объект (даже полупрозрачный, какое-нибудь пылевое облако) не может выглядеть, как набор перемежающихся затемнений и просветлений. Любой объект меньше диаметра звезды не может выдать V-образную форму. Любой симметричный объект давал бы симметричный график, так что правая часть им не объяснялась бы. С другой стороны, "трезубец" слева явно симметричен, а сложно придумать причины быть настолько симметричным чему-то вроде роя комет. Наконец, подобный "трезубец" встречается как минимум дважды (на картинке выше только один из них), но в первый раз он примерно впятеро меньше. Короче говоря, WTF.

Ну хорошо, что я сделал. Я написал 100 строчек кода на С++, позволяющих нарисовать произвольный Объект, и посмотреть, какой же профиль он выдаст. Код лежит на https://github.com/aplakhov/lightcurve, он прям предельно простой, а в скомпилированном виде под винды его можно скачать отсюда https://yadi.sk/d/v6uXy9KEsVN9v и прям играть самому (надеюсь, вы не боитесь скачивать и запускать ехешники производства малознакомых русских программистов? потому что реддиторы, как выясняется, почему-то боятся). Вот мои модельки (эх, надо было на музыку положить):

Пожалуйста, не пишите мне про фаллические ассоциации, которые у вас возникают, я за инопланетян не в ответе, спасибо за понимание.

Ну как, вы уже проникаетесь безумием lightcurve'ов KIC 8462852? Теперь также должно быть понятно, что восстановление формы и размеров объекта по сколь угодно экзотической кривой светимости -- вполне какая-то задача численной оптимизации, не слишком сложная, почти что линейная ("почти", потому что прозрачность пикселя не может быть ниже нуля или выше единицы). Задача плохо поставленная (потому что граничные условия -- одномерный сигнал, а мы хотим восстановить по ним двумерную форму), поэтому из всех решений надо ещё выбрать какое-нибудь наиболее "регулярное" в каком-нибудь смысле. Давайте поймем, какая регуляризация нам необходима.

Заметим, что если наш объект очень "длинный", и очень быстро движется, то мы можем подогнать им буквально любую кривую. В следующем ролике я делаю это для конкретных наблюдений ЧЗХ-звезды на день 1570:

Нам не нужна никакая машинлернинговая артиллерия, никакой там градиентный спуск или simulated annealing, мы просто берём и восстанавливаем ширину "ленты" по известным суммам. Ясно, что чем длиннее лента и чем быстрее она крутится, тем более точное решение в итоге получится. Это плохо: получается, что "кольцо Нивена", как божественное вмешательство, может объяснить что угодно. В то же время ясно, что чем больше размеры объекта, тем он менее правдоподобен физически, даже для инопланетян. С другой стороны, совершенно непонятно, как подобную кривую светимости можно было бы получить, если длина объекта меньше хотя бы нескольких диаметров звезды, и кажется, что для любой нетривиальной кривой существует математически строгий нижний предел отношения размеров объекта к диаметру звезды. То есть регуляризация у нас должна быть "просто" размерами, минимальный размер, при котором возможно более-менее точное соответствие, и есть наиболее правдоподобный ответ. У меня пока получается порядка 10-12 диаметров звезды на 10-дневный транзит.

Разумные это значения или бредовые? Для понимания давайте обратимся к небесной механике. Оказывается, орбитальная скорость при движении по околокруговой орбите (а мы бы ожидали именно такую для искусственного сооружения) зависит в ограниченной задаче двух тел только от радиуса орбиты и параметров звезды, что в нашем случае дико удобно! https://en.wikipedia.org/wiki/Orbital_speed

Для KIC 8462852 получается, что нечто, проходящее 10-12 диаметров звезды за 10 дней, то есть движущееся со скоростью 20-25 км/с, стало быть, находится от неё на расстоянии 2-3 астрономических единицы. Можете меня перепроверять, все данные для проверки есть даже на вики. Это невероятно круто, я прямо начинаю верить в инопланетян, потому что светимость ЧЗХ-звезды в 4.7 раз выше Солнца, а значит, границы обитаемой зоны для неё в 2.17 (корень из 4.7) раз дальше, то есть наш объект точнехонько в неё попадает! Более того, эта оценка очень точная, потому что, к примеру, уже объект длины 5 диаметров звезды будет вчетверо дальше, а там холодно, примерно как на Юпитере.

Даже более того, длина "года" (одного полного оборота объекта вокруг звезды) в такой задаче обратно пропорциональна кубу длины объекта. Это значит, что наш "оптимальный" объект обращается примерно за пять лет, а вот уже объект длины 20 окажется обращающимся по орбите, которую он будет проходить меньше, чем за год, что не согласуется с нашими наблюдениями: мы бы видели самые сильные затмения уже как минимум по два раза.

Вот всё, что я (и, скорее всего, кто угодно ещё) пока знаю про инопланетян с KIC 8462852. Надеюсь, вам понравилось, может быть, вы даже что-нибудь тоже неглупое придумаете!
Tags: 2017
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 58 comments
Previous
← Ctrl ← Alt
Next
Ctrl → Alt →
Previous
← Ctrl ← Alt
Next
Ctrl → Alt →