Очень серьезное про инопланетян с KIC 8462852

plakhov — 25.06.2016 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!

Оставить комментарий

Популярные посты:

• Архив