Используются ли в наше время в астрономии компьютеры
Обновлено: 03.07.2024
Компьютеры уже давно стали едва ли не главным инструментом любого астронома. Компьютер нужен для управления телескопами и спутниками, для накопления и обработки полученных на них данных. Конечно, компьютер необходим теоретику для численного моделирования. О некоторых примерах компьютерных экспериментов - от звезд до сверхскоплений - пойдет речь в этой статье.
ОТ ТЕЛЕСКОПА ДО КОМПЬЮТЕРА - ОДИН ШАГ
В наше время астронома чаще можно увидеть не у окуляра телескопа, а перед экраном компьютера. И не только теоретика, но и наблюдателя, ведь теперь приемником изображения обычно служит ПЗС-матрица, и астрономы могут следить за изображением не в окуляр, а по монитору.
Использование компьютеров в астрономии, как и в других науках, чрезвычайно разнообразно. Это и автоматизация наблюдений, и обработка их результатов, и работа с большими каталогами, и небесно-механические расчеты. Не забудем о компьютерных сетях, без которых уже невозможно представить себе современную науку. Даже при написании статей компьютер теперь совершенно необходим. Здесь мы подробнее поговорим о довольно специфическом применении компьютера в астрофизике - компьютерных экспериментах.
Компьютерное моделирование самых разных процессов, от физических до социальных, развивается уже более 50 лет, с первого появления ЭВМ. Часто это связано не столько с большим объемом вычислений, сколько с очень сложным характером исследуемых процессов, которые не поддаются аналитическому описанию. Иногда проще показать, чем рассказать, и дисплей дает такую возможность.
Выделим четыре важных направления численных расчетов в астрофизике: моделирование спектров и кривых блеска небесных объектов, гидродинамическое моделирование, популяционный синтез и расчеты крупномасштабной структуры. Безусловно, этим все не ограничивается, и данные четыре класса не исчерпывают многообразия численных экспериментов в астрономии, но при описании сложного явления всегда приходится чем-то пренебрегать.
НАБЛЮДЕНИЯ НА КОМПЬЮТЕРЕ
Астрономия - необычная наука. Ей, как правило, недоступны непосредственные эксперименты с объектами исследований: звезду не засунешь в пробирку! Все, что мы имеем, -различные виды излучения: в первую очередь -электромагнитное. Кроме него - гравитационное излучение, потоки нейтрино и космических лучей. Астрономы только подсматривают и подслушивают! Им нужно научиться извлекать максимум информации из наблюдений и воспроизводить их в расчетах для проверки гипотез, описывающих эти наблюдения.
Результаты наблюдений (спектры, кривые блеска и т.д.) астрономы пытаются интерпретировать, т.е. выдвигают гипотезы о том, какое физическое тело и при каких условиях может проявлять себя подобным образом. Гипотезы нужно подтвердить расчетами, т.е., используя некоторые предположения и известные физические за- коны, попытаться воспроизвести результаты как можно точнее. Поэтому моделирование спектров и кривых блеска чрезвычайно важно. Моделируются кривые блеска сверхновых звезд, спектры аккреционных дисков и многое-многое другое (Земля и Вселенная, 1994, № 2). Отметим, например, моделирование спектров нейтронных звезд с учетом тончайших (порядка одного сантиметра!) атмосфер различного химического состава, проводимое Г. Павловым, В. Завлиным и их коллегами из ФТИ им. Иоффе (Санкт-Петербург). Учет многочисленных физических эффектов (к примеру, сильных магнитных и гравитационных полей) позволяет получить спектры, которые совпадают с наблюдаемыми спектрами радиопульсаров и других одиночных нейтронных звезд. Именно положительные результаты таких сравнений позволяют сказать, что мы правильно понимаем природу тех или иных астрофизических объектов.
БУРЯ В КРИСТАЛЛЕ
Всем известно выражение "буря в стакане воды". Но буря в природе - мощный и сложный гидродинамический процесс, и для его исследования необходимо привлекать сложные методы численного моделирования. Не случайно одни из самых мощных компьютеров находятся в крупных гидрометеоцентрах. Какие "электронные бури" разыгрываются в кристаллах процессоров при их работе!
В астрофизике аналогами "бурь" можно считать взрывы сверхновых (Земля и Вселенная, 1989, № 2), аккреционные процессы в тесных двойных системах (Земля и Вселенная, 1985, №6;1987,№3;1999,№1), формирование звезд и другие явления, сопровождающиеся сложными течениями вещества. Эти проблемы интенсивно изучаются, например, в Институте прикладной математики и Институте теоретической и экспериментальной физики - учреждениях, судя по названиям, совсем не астрономических. Пополним список: джеты в активных ядрах галактик (Земля и Вселенная, 1994, №№4, 5), молодых звездах (Земля и Вселенная, 1995, №1) и тесных двойных системах (Земля и Вселенная, 1994, № 2), разрушения звезд в гравитационном поле сверхмассивной черной дыры, слияния двойных нейтронных звезд и черных дыр.
Гидродинамический расчет слияния нейтронных звезд (из работы К. Охара и Т. Накамура, Япония). Контурами показана плотность, стрелками -скорость. Время (в правом верхнем углу квадратов) в миллисекундах. Окружность - гравитационный радиус черной дыры, равной по массе сумме двух сливающихся объектов.
Последний сюжет имеет отношение к генерации гравитационных волн и, по-видимому, к гамма-всплескам (Земля и Вселенная, 1993, № 2). Их природа, несмотря на значительные успехи, достигнутые после наблюдений в различных диапазонах спектра, все еще не ясна. Гравитационные волны были предсказаны общей теорией относительности (Земля и Вселенная, 1988, № 6). Возникают они при вращении несимметричных тел, например в двойных звездных системах. Косвенное, но несомненное подтверждение их существования получено при изучении двойного радиопульсара PSR 1913 + 16 (системы из двух нейтронных звезд, одна из которых - пульсар, посылающий периодические радиосигналы). Параметры его орбиты изменяются в точном соответствии с расчетами потерь энергии на излучение гравитационных волн в рамках Общей теории относительности. За открытие первого такого объекта и подтверждение предсказаний общей теории относительности Хале и Тейлор получили в 1993 г. Нобелевскую премию по физике.
Для регистрации гравитационных волн строятся несколько детекторов, чуть ли не самых дорогостоящих наземных приборов за всю историю науки. Очевидно, что успешная регистрация слабого сигнала на фоне разнообразных и многочисленных шумов (а именно такая картина ожидается в детекторах гравитационных волн) требует возможно более точного представления о форме искомого сигнала. Поэтому не следует экономить на теоретических исследованиях слияний двойных компактных объектов и других процессов - вероятных источников гравитационных волн. Создан специальный проект "Grand Challenge" ("Большой Вызов" или "Большая Проблема") для моделирования слияний черных дыр и нейтронных звезд. Расчеты осложняются необходимостью учета эффектов общей теории относительности. Разные группы исследователей проводят вычисления в некоторых приближениях, более-менее достоверно описывающих реальность. Можно надеяться, что еще до регистрации реального гравитационного сигнала его форма станет достаточно точно известна благодаря компьютерному моделированию.
САМОДЕЛЬНЫЕ ЗВЕЗДЫ И ГАЛАКТИКИ
При проведении даже не очень сложных вычислений, но повторяющихся многократно, лучше один раз написать программу, а компьютер уже сам воспроизведет все математические операции нужное число раз (единственное ограничение - быстродействие компьютера). Так что для расчетов параметров больших популяций астрономических объектов (звезд, тесных двойных систем, нейтронных звезд и т.п.), где необходимо просчитывать миллионы и миллионы похожих систем, активно используются численные методы. Называется это -популяционный синтез. Одна из сложных проблем - расчет интегральных спектров галактик.
М82 - галактика с мощным звездообразованием. Для изучения звездного населения подобных объектов активно используют численные методы.
Для далеких систем мы можем получить только спектр галактики в целом. Чтобы осмыслить полученные данные, необходимо промоделировать современный звездный состав галактики, понять историю звездообразования в ней, определить основные параметры популяций звезд: начальную функцию масс, химический состав и т.д. (Земля и Вселенная, 2000, № 3). И все же случается, что, восстанавливая по спектру галактики ее звездный состав, группы исследователей получают весьма различающиеся картины. Иногда результаты, полученные при рассмотрении только одиночных звезд, вступают в противоречие с результатами расчета при учете кратности звезд. Необходим комплексный подход к проблеме, учитывающий и двойные, и одиночные звезды.
Расчет эволюции тесной двойной системы
Особенно интересны и актуальны сейчас расчеты галактик с мощными вспышками звездообразования. В таких системах много молодых массивных звезд большой светимости, там высок темп появления сверхновых, поэтому в областях недавнего (несколько миллионов лет) бурного звездообразования должно быть много тесных двойных систем с компактными объектами. Все это делает области звездообразования очень интересными для изучения. Наблюдения показывают, что около 7 млн. лет назад вспышка звездообразования произошла в центральной области нашей Галактики. Оценить возраст и другие параметры этой вспышки удалось именно при комплексном подходе, с точки зрения эволюции одиночных звезд и эволюции тесных двойных (Земля и Вселенная, 1995, №5).
Нейтронные звезды наблюдаются как радиопульсары, рентгеновские источники в тесных двойных системах и, в последнее время, как одиночные остывающие и аккрецирующие объекты. Количество известных источников этого типа постоянно увеличивается благодаря вводу в строй все более совершенной аппаратуры. В последние несколько лет количество известных радиопульсаров возросло до 1500, растет и число наблюдаемых рентгеновских источников с нейтронными звездами.
Пространственное распределение скоплений галактик по результатам компьютерного моделирования (крупномасштабная структура).
Благодаря такому подходу удается объяснить малое число одиночных аккрецирующих нейтронных звезд, наблюдаемых рентгеновским спутником РОСАТ, а также наложить некоторые ограничения на модели распада магнитного поля нейтронных звезд. По-видимому, существенный распад до значений, типичных для миллисекундных пульсаров, невозможен у одиночных нейтронных звезд, т.е. мощная аккреция в тесных двойных системах существенным образом влияет на распад магнитного поля.
КОМПЬЮТЕРНАЯ ВСЕЛЕННАЯ
В настоящее время мы можем непосредственно наблюдать галактики и квазары до красного смещения z = 6. Напомним, что космологическое красное смещение в спектрах галактик возникает из-за "разбегания" галактик вследствие расширения Вселенной. Чем больше красное смещение, тем дальше находится от нас галактика в пространстве и во времени. Реликтовое излучение дает информацию о процессах при z = 1400-1500. Данные по нуклеосинтезу (образование химических элементов) свидетельствуют о первых минутах жизни Вселенной.
Вот и начался новый учебный год. Ученики и студенты хлынули в двери научных заведений. А учителя и преподаватели приготовились их встречать. Но вот, уже прошли первые дни, радость (я ведь не ошибаюсь?) встречи немного поутихла и наступили обыкновенные будни. Преподаватели с одной стороны, студенты и ученики с другой. Цепочкой, которая их объединяет, есть изучаемый предмет, личностный характер как представителей одной, так и другой стороны, их харизматичность, коммуникационные качества и так далее. И если характер, и иные качественные особенности индивидуума разные в зависимости от человека, то предмет служит чем-то обобщающим. И интересно, качественно преподнеся его ученику (студенту), учитель (преподаватель) устанавливает прочную связь с аудиторией. С другой стороны аудитория интересности «кушает» с удовольствием.
Соответственно захотелось остановиться на преподавании интересной и древнейшей науки – астрономии. Вернее, даже не на преподавании, как о таком, а о его разнообразии. А как можно разнообразить преподавание в ХХІ веке? Ну конечно – используя программное обеспечение и современные гаджеты.
Эта публикация будет небольшим обзором программ, которые позволяют облегчить и разнообразить преподавание и изучение столь интересного предмета как астрономия.
SkyChart (Cartes du Ciel)
SkyChart (Cartes du Ciel) – атлас неба, свободная программа-планетарий для ОС MS Windows, Mac OS Х, Linux. Программа позволяет создавать карты звездного неба с использованием многих астрономических каталогов звезд и туманностей, принимая во внимание положения планет, астероидов, комет.
KStars
KStars – программа-планетарий, входящая в образовательный пакет KDE Education Project.
Программа доступна пользователям UNIX-cистем.
Сelestia 1.6.1
Celestia – это 3 D визуализация пространства, в режиме реального времени позволяющая пользователю рассматривать объекты размерами от искусственных спутников до галактик. В этом виртуальном планетарии пользователь может свободно путешествовать по Вселенной.
Программа доступна пользователям платформ MS Windows, Mac OS Х, Linux.
Stellarium 0.13.0
Stellarium это реалистичное 3 D моделирование неба в реальном времени. Он отображает звезды, созвездия, планеты, туманности и другие вещи, как грунта, ландшафты, атмосферы. По сути, это один из лучших планетариев. К тому же бесплатный, и доступный как для платформ MS Windows, Mac OS Х, Linux, так и для Simbian, Android, iOS (Stellarium Mobile).
WorldWibe Telescope (WWT)
WorldWibe Telescope (WWT) – программа-планетарий, работающая под управлением программы-клиента на платформе Windows или кроссплатформенного браузерного клиента, созданного с использованием технологии Silverlight.
Google Планета Земля
Google Планета Земля – кроссплатформенный проект компании Google, в рамках которого в сети были размещены спутниковые изображения всей поверхности Земли. У этой программы есть интересные закладки: «Земля», «Небо», «Марс», «Луна».
Orbiter 2010
Orbiter 2010 – бесплатный симулятор космических полетов с тщательно проработанной реалистичной физикой и широкими возможностями конфигурирования и написания различных расширений. Используются реалистичные физические модели динамики кораблей, атмосферных явлений и движения планет.
Как заметил читатель, в своем обзоре, я рассмотрел только бесплатное программное обеспечение. Оно доступно в сети и каждый желающий может с ним ознакомиться. Надеюсь что этот обзор будет полезен не только учащимся и их преподавателям, но и всем интересующимся астрономией и космонавтикой.
Расширяем сознание, Слайдшоу
by Светинета • 13 июля 2011 • 2 комментария
Два телескопа обсерватории Кека на Гавайских островах. Через открытые створки куполов видны 10-м зеркала инструментов: на сегодняшний день это крупнейшие телескопы в мире. Источник: NASA.
Наверняка самое сокровенное желание человека, посетившего с экскурсией астрономическую обсерваторию, состоит в том, чтобы посмотреть на звёзды в настоящий большой телескоп. И его неизменно постигает разочарование: в профессиональный телескоп смотреть нельзя. То есть, не запрещено, а вообще нельзя, не предусмотрено конструкцией. В утешение можно сказать, что и профессиональный астроном всё реже и реже имеет возможность не то что посмотреть в телескоп, но и хотя бы просто лично поучаствовать в наблюдениях.
Обсерватория Паломар (Palomar Observatory)
500-сантиметровый телескоп в Паломар внес революционные изменения в развитие современной астрономии. Производители зеркал истратили на него почти $1 млн., и это в 1934 году! До сих пор никто не смог изготовить кварцевые зеркала большего размера. При этом материал, из которого они сделаны, малочувствителен к температурным колебаниям, а значит, у телескопа небольшая погрешность.
Впервые телескоп использовали для изучения небосклона только после окончания Второй мировой войны. Вскоре в обсерватории появился новый 250-сантиметровый телескоп, и началось исследование Palomar Observatory Sky Survey. Его результатом явилось составление звездной карты Северного полушария. Кстати, ею пользуются и по сей день.
Трудно вообразить, но и через три четверти века паломарскими телескопами продолжают успешно пользоваться, делая новые открытия.
Конечно, это ненастоящие миры. Модельные, нарисованные. Чтобы рисунок этот был как можно ближе к реальности, нужны мощные компьютеры. Пионер численного моделирования рождающихся звёзд Ричард Ларсон свою первую программу запускал на компьютере, который по мощности уступал даже современному мобильнику. И, разумеется, эта программа позволяла описать лишь очень небольшой этап ранней эволюции будущей звезды. Со временем компьютеры становились мощнее, но и требования к моделям повышались.
Проблема астрономических расчётов заключается в том, что они охватывают гигантский диапазон плотностей, температур, напряжённости магнитного поля, интенсивности излучения (от радиоволн до гамма-лучей).
Значит, нужна модель, которая одинаково хорошо описывала бы движение вещества на масштабах от десятков тысяч до сотен триллионов километров. При этом речь идёт о течении вещества, в котором действуют самые разнообразные физические и химические процессы, на моделирование которых также уходят весьма значительные компьютерные ресурсы. И это только одна звезда. Что же говорить о модели целого звёздного скопления?
Оказывается, что решить современные задачи вычислительной астрофизики можно лишь при помощи суперкомпьютеров и параллельного программирования. Написать эффективную программу для такой системы очень непросто. С современными суперкомпьютерами астрономы-вычислители пока ещё управляются сами. Но пройдёт совсем немного времени, и эту задачу придётся отдать профессиональным программистам. Астрономического образования будет так же недостаточно для работы с компьютерами будущего, как сейчас не хватает его для работы с современными большими телескопами.
Может быть астроном лишается ещё одной возможности сделать что-то своими руками, почувствовать себя творцом Вселенной, пусть немножко ненастоящей, немножко выдуманной, вылепленной из нескольких тысяч строк кода, но такой своей, близкой и понятной!
В День космонавтики мы решили рассказать вам о том, что делают компьютеры в космосе, какие они, и, конечно, от чего и как их защищают.
Степень компьютеризации космических кораблей, как и всего остального в нашем мире, непрерывно растет. На смену сотням управляющих панелей с кнопками приходят ноутбуки, которые космонавты могут подключить в любом месте МКС и получить нужные данные, или отдать команду. Конечно, это не совсем обычные ноутбуки и бортовые компьютеры, и, хотя все чаще на борту используется серийная техника, у нее есть целый ряд интересных особенностей.
Конструкция
Производительность
Простота – залог надежности
Несмотря на крайне сложную конструкцию космических аппаратов, в основе их бортовых компьютеров лежат модули, отвечающие за небольшой набор простых операций с предсказуемыми последствиями. Чем меньше задач выполняет конкретный модуль, тем меньше неприятных последствий может принести выход его из строя, тем проще понять, что с ним случилось.
Что касается программного обеспечения, то оно должно быть предсказуемым.
Специальные операционные системы реального времени устроены так, чтобы не проявлять лишнюю инициативу, логика их работы предельно проста. Это увеличивает надежность и гарантирует молниеносную реакцию на внешние события. В отличие от Windows, которая иногда любит подумать полминутки, поработать с диском, космические ОС не тратят времени на самообслуживание.
Специально написанные для космических кораблей программы тоже готовятся по строгим правилам, исключающим расточительное поведение приложения – память нужно выделять сразу и больше потом не просить, вхолостую процессор не нагружать, и так далее.
Патчи, обновления и охота на ошибки
Благодаря значительному запасу надежности, некоторые компьютеры работают в космосе уже более 40 лет!Информация не должна теряться
Космические полеты – это очень дорогостоящее мероприятие, вне зависимости от того, пилотируемые они или нет. Это исследования, к которым готовятся много лет, на которые работают тысячи людей и тратятся громадные бюджеты. И вполне естественно, что сбой в работе, приведший к потере всей накопленной информации – это крах всей многолетней работы! Чтобы его избежать, космические компьютеры должны иметь системы резервирования данных. И тоже многократные. Нередко при этом используются совершенно разные системы хранения. Например, одновременно применяются флэш-память и магнитный способ записи на пленку или проволоку. Хоть что-то, но должно остаться в целости и сохранности. Принцип аналогичен резервному копированию личной информации и домашних цифровых архивов, которые всегда очень жалко терять вследствие сбоя системы. А в космосе это ещё и непростительно. Слишком высока цена таких потерь.
Кусочек современности
Каждый член экипажа МКС пользуется обычным компьютером Lenovo ThinkPad, который можно подключать к специальной шине, чтобы управлять системами станции. Благодаря техническому прогрессу, сегодня космонавты могут пользоваться Интернетом и общаться с родными, но канал доступа к сети не прямой, а с промежуточным защитным буфером на Земле. К тому же, для этого используется отдельный компьютер, никак не связанный с системами жизнеобеспечения станции. Как показала практика, последняя предосторожность совсем не лишняя – в 2007 году, уже в космосе на лэптопе одного из космонавтов был обнаружен вирус Gammima, ворующий пароли от онлайн-игр. На тот момент, ноутбуки не были защищены антивирусом, но после инцидента в NASA задумались о том, что ситуацию пора менять.
Читайте также: