Звук у космосі. Чи це можливо?

Як відомо, особливістю звукових хвиль, що відрізняють їх від електромагнітних або гравітаційних, є те, що вони можуть поширюватися тільки в упругому суцільному середовищі. У космосі панує порожнеча. Типова щільність речовини в міжзоряному просторі близько 10⁶ ‑ ¹07 атомів (в основному водню) на один кубічний метр при температурі T = 2,7 К (це близько ‑ 270 ° C). Середньоквадратична швидкість руху таких атомів, згідно з відповідними законами молекулярної фізики, визначається виразом( v_{cp} =sqrt {3RT/M}), де R = 8,3 Дж/( моль· град) — газова постійна, M — молярна маса. Для атомного водню M = 1⁰ ‑ 3 кг/моль. Таким чином, для атомів водню в міжзоряному просторі середньоквадратична швидкість буде близько 250 м/с.

За таких умов атом водню стикається з іншим атомом приблизно один раз на кілька мільярдів секунд, тобто частота зіткнень ^ ∼ 3· 10 ^{‑ 1}0 ^с ‑ 1, пробігаючи відстань від зіткнення до зіткнення ∼ 1⁰9 км (довжина вільного пробігу) — мільярд кілометрів. Припускаючи, що довжина звукової хвилі повинна бути завідомо більше довжини вільного пробігу в речовині, а частота звуку менше частоти зіткнень атомів, отримуємо, що такий звук буде мати частоту коливань менше мільярдної частки секунди (менше 1⁰ ‑ 9 Гц).

Такий звук не можна сприймати людським слухом, для якого характерний частотний діапазон 20-20000 Гц. Однак Всесвіт величезний у просторі (близько 46 мільярдів світлових років або 43· 102² км) і досить старий у часі (приблизно 14 мільярдів років), так що у звуку є можливість виникнути в різних місцях Всесвіту на різних етапах його розвитку. Крім того, звук також є дуже корисним інструментом для вивчення Всесвіту.

Давайте спробуємо здійснити подорож через простір і час, тому що чим далі ми зможемо зазирнути в глибину Всесвіту, тим на більш стародавньому етапі її історії ми опинимося. Почнемо нашу подорож із Сонячної системи від планети Земля.

Звук на Землі

Як ви знаєте, звук забезпечує один з найпоширеніших способів спілкування між тваринами і людьми. Однак більш важливо, що звук також є відмінним інструментом для дистанційного зондування навколишнього середовища, атмосфери, океану і структури нашої планети (див., наприклад, статтю «Фізика звуку» в «Кванті» № 12 за 2018 р.).

Спочатку коротко розглянемо, як ми вивчаємо звук на Землі. Земна гравітація створила слоїсту структуру атмосфери, океану і земної кори. Тому на Землі є умови для існування звукових каналів, якими звук може пробігати величезні відстані без істотного загасання. Швидкість звуку зростає з температурою, залежить від швидкості вітру в атмосфері або течії в океані. У земній корі швидкість звуку залежить від щільності і структури речовини, що дозволяє сейсмологам знаходити підземні родовища корисних копалин. Пробігаючи в океані великі відстані, звук виявляється чутливим до малих змін середньої температури океану, що може бути критерієм глобального потепління (рис. 1). Декілька акустичних шляхів, що перетинаються, використовуються для акустичної томографії, яка забезпечує 4D-зображення океанічних процесів (3D-простір плюс час).

Ріс. 1. Схема акустичної термометрії в Тихому океані (АТОС — акустична термометрія океанського клімату). Вимірюється час поширення звуку на протяжних трасах між Гаваями, Алеутськими островами і Каліфорнією. Цей час залежить від температури середовища

У нас є велика різноманітність акустичних методів та інструментів для дослідження структури земної кори, океану та атмосфери тут на Землі. І виникає природне питання — чи можемо ми взяти їх у космос для досліджень на інших планетах? Відповісти на це питання не так просто. Дослідження космосу має ряд істотних обмежень, які необхідно виконувати, і не всі відомі нам методи, які використовуються на Землі, задовольняють цим обмеженням.

По-перше, і, мабуть, найсуворіше обмеження, це вага корисного навантаження. Доставка обладнання в космос — досить дорога процедура, а багато акустичних методів (особливо ті, які пов’язані з низькочастотними джерелами звуку) вимагають важкого обладнання. По-друге, є обмеження щодо енергоспоживання обладнання. У космосі потрібно покладатися на важкі батареї або сонячні панелі, щоб забезпечити електричне харчування взятих у космічний політ приладів. По-третє, існує конкуренція в дослідженнях різними методами. Електромагнітні та гравітаційні хвилі не вимагають упругого середовища для поширення, і, таким чином, їх можна використовувати для дистанційного зондування, на відміну від акустичних методів, які вимагають встановлення вимірювальних приладів на планеті. Тому акустичні методи можуть бути корисними там, де у них немає конкуренції. Це, перш за все, дослідження електропровідних середовищ: плазма, океани, внутрішня структура планет, куди не проникають електромагнітні хвилі. І нарешті, потрібно враховувати той факт, що акустичні методи не обов’язково мають таку ж ефективність на інших планетах, про яку ми знаємо на Землі. Ефективність акустичних методів залежить від стану середовища, в якому вони використовуються, а тиск, температура, щільність і хімічний склад інших світів, як правило, сильно відрізняються від того, до чого ми звикли тут, на Землі.

У зв’язку з цим важливо зрозуміти, як вже використовуються акустичні методи в космосі і які є результати, отримані з їх допомогою.

Дослідження Місяця

Ріс. 2. Місячна станція «Місяць-16» здійснює посадку

Початок інструментального дослідження Місяця можна віднести до 1959 року, коли вперше рукотворний інструмент досяг поверхні природного супутника Землі. Це була радянська станція «Місяць-2». У 1969 році американський космічний корабель «Аполлон-11» доставив на Місяць першу в історії експедицію. Ця і наступні експедиції (останнім був політ корабля «Аполлон-17» в 1972 р.) дозволили виконати ряд спостережень на Місяці і доставили зразки місячного грунту на Землю. В цей же час СРСР запустив ряд автоматичних місячних станцій («Місяць-16» в 1970 р. і останній «Місяць-24» в 1976 р.), які також виконали дослідження на Місяці і доставили на Землю місячний грунт (рис. 2).

Автоматичні станції «Місяць» доставляли на Землю керни місячного реголіту, отримані в результаті буріння на глибину більше 2-х метрів. Щоб забезпечити таке буріння і отримати незруйновані керни, додатково використовувалося ультразвукове обурення бура. Така ультразвукова технологія місячного буріння дозволила отримати якісні зразки кернів, що показали структуру місячного реголіту. Аналіз результатів цих польотів вперше дав переконливий доказ наявності на Місяці води. Значно пізніше, в 1990-х роках, американці змогли отримати аналогічні результати. У структурі місячного ґрунту була виявлена вода!

Під час досліджень за програмою «Аполлон» вимірювалися різні фізичні поля на поверхні Місяця, але досить детальну картину внутрішньої структури Місяця вдалося отримати саме акустичним методом. Акустичні сигнали могли збуджуватися при старті ракети або природними обуреннями поверхні Місяця (включаючи падіння метеоритів). Сигнали, збуджені на поверхні, поширюються в глибину Місяця, там вони розсіюються і відбиваються на внутрішній структурі. За допомогою лінійки сейсмічних приймачів, встановленої на місячній поверхні, розсіяні внутрішньою структурою акустичні сигнали реєструвалися і потім передавалися по радіоканалу зв’язку на Землю.

Ріс. 3. Внутрішня структура Місяця

Варто зауважити, що хоча сейсмічні та інші експерименти на Місяці були припинені в 1977 році, отримані дані від місячних сейсмічних датчиків були заново оброблені в 2010 році із застосуванням сучасних обчислювальних засобів. Цікаво, що ця обробка показала новий вид місячного ядра: тверде ядро, оточене рідким зовнішнім ядром, у свою чергу, оточеним шаром частково розплавленої магми (рис. 3).

Отриманий досвід сейсмічних досліджень на Місяці успішно застосуються при дослідженні астероїдів. Автоматична стація встановлює на поверхні астероїда сейсмоприймачі, які реєструють штучні або природні обурення та їх відображення від внутрішньої структури.

Звук на Сонці

Сонце — це досить щільна іонізована газова структура. Ми не можемо сумніватися в існуванні звуку на Сонці. Звичайно, інтенсивні вихори гарячого газу в його верхніх шарах і турбулентність створюють страшний рев у широкій смузі частот. Однак на Землі ми цей рев не чуємо, оскільки між Землею і Сонцем є 150 мільйонів кілометрів вакууму, який не пропускає звук.

У верхніх шарах сонячної атмосфери температура газу нижча, ніж у глибших шарах. З досвіду дослідження поширення звуку в стратифікованому середовищі можна очікувати, що звук концентруватиметься в області з мінімальною швидкістю свого поширення, тобто в шарі з мінімальною температурою. Звук, народжуючись у результаті турбулентних рухів у конвективних зонах, поширюється таким чином, щоб залишитися у верхніх шарах сонячної атмосфери (рис. 4). На глибині швидкість звуку і температура різко збільшуються, і це змушує звук повертається назад у конвективну зону. Сонце має сферичну форму, тому звук, поширюючись по циклічних траєкторіях уздовж поверхні Сонця (p-моди на малюнку 4, що відповідає хвилям тиску), буде посилюватися, якщо число таких циклів буде цілим. У такому випадку ми можемо вважати Сонце резонатором, в якому посилюються певні коливання — сферичні моди.

Ріс. 4. Шара-структура Сонця і промені, за якими поширюється звук. Звук, що поширюється за цілочисельними циклами, посилюється і створює сферичні моди коливань тиску на поверхні (p-моди) і внутрішні хвилі в полі тяжіння (g-моди)

Зауважимо, що на Сонці не може бути зрушених хвиль, ефективних у сейсмічних завданнях на Землі або на інших планетах. Сонце — це щільний газ (або рідина), в такому середовищі відсутній модуль зсуву і тому сонячне середовище не може забезпечити поширення зрушення хвилі. На великій глибині, в радіаційній зоні і ядрі, істотні сили гравітації, а не пружності. Тому там будуть поширюватися не пружні хвилі тиску, а внутрішні хвилі, що здійснюють рух під дією сил плавучості (g-моди на малюнку 4). Так що це швидше гідродинамічне, а не акустичне завдання. Ці хвилі (g-моди) загасають в області конвективних потоків і не доходять до поверхні, і поверхня Сонця не відображає інформацію про ядру.

Однак останнім часом з’явилися дані про можливість спостереження цих слабких хвиль на Землі. Ядро Сонця обертається з періодом один оборот в сім днів, що набагато швидше, ніж обертання радіаційної і конвективної зон. Хвилі g-моди модулюють магнітне поле, створюване обертовим ядром Сонця, і ці модуляційні складові з періодом в 7 днів були зареєстровані земними магнетометрами.

Отже, ми можемо чути звук Сонця на Землі.

Створення нашого Всесвіту за допомогою звуку: Великий вибух

Прийнято вважати, що наш Всесвіт був створений в результаті унікального космічного явища, яке назвали «Великий вибух». Відкриття 1964 року реліктового електромагнітного випромінювання є свідченням цієї події і подальшого розширення Всесвіту.

З моменту створення нашого Всесвіту і починається історія акустичних хвиль. Відразу після Великого вибуху Всесвіт являв собою гарячу кварк-глюонну плазму, яка остигала по мірі розширення простору. З неї з’явилися всі частинки, що складають видиму матерію. Коли температура знизилася достатньо для об’єднання протонів і електронів в атоми, матерія перейшла в нейтральний стан (рекомбінувала), а випромінювання відокремилося від неї. Воно спостерігається сьогодні у вигляді електромагнітного фонового випромінювання — реліктового випромінювання. Це — відправні пункти початкових етапів розвитку нашого Всесвіту згідно теорії Великого вибуху.

Особливістю цієї теорії є те, що вона пояснює флуктуації щільності, що виникли згідно з принципом невизначеності квантової механіки. У гарячій плазмі, що розширюється, що містить темну матерію, баріони, електрони, фотони і нейтрино, виникли області надмірної щільності речовини і області розрядження, що може бути джерелом звукових хвиль. Виникаючі в такому випадку сили тяжіння і сили тиску протистоять один одному і створюють пружні коливання середовища, дуже схожі на те, як звук виникає в повітрі в результаті дії швидких перепадів тиску. На початковому етапі народження Всесвіту швидкості поширення цих акустичних хвиль були цілком релятивістськими і становили трохи більше половини швидкість світла!

Приблизно через 380 000 років після початку історії нашого Всесвіту плазма, що розширюється, досить охолола (нижче 3000 К) для того, щоб електрони і протони змогли об’єднатися в стійкі нейтральні атоми (насамперед водню). Це створило умови для вільного випромінювання фотонів. Електромагнітне випромінювання більше не поглиналося іонізованою плазмою, і фотони отримали можливість подорожувати на будь-які відстані, тому що нейтральні атоми не можуть помітно поглинати електромагнітну енергію. Коли це сталося? Флуктуації в просторі областей підвищеної щільності середовища і зниженої щільності (тобто акустичні хвилі) ніби застигли у фазі, що відповідає акту останнього випромінювання, і середовище втратило пружність. У результаті виникли просторові досить стабільні флуктуації щільності речовини у Всесвіті, які знаходять своє відображення в просторових флуктуаціях реліктового електромагнітного випромінювання.

На малюнку 5 показана карта флуктуацій реліктового випромінювання, що приходить з усієї небесної сфери, і ця карта відображає акустичні коливання в молодому Всесвіті! Але що цікавого можна дізнатися, дивлячись на цю карту? Інтенсивність флуктуацій реліктового випромінювання становить величину від 10 ^— 4 до ¹⁰ — 5 від середнього значення. Отже, відносна величина флуктуацій тиску в середовищі була того ж порядку, що відповідає досить інтенсивним акустичним коливанням. Так, звуковий шум з такими флуктуаціями тиску в 10 разів голосніший, ніж рівень шуму в метро. Іншими словами, в молодому Всесвіті існували звукові хвилі досить істотної амплітуди. Обурення щільності середовища вказують на зародки майбутньої структури Всесвіту. Галактики і скупчення галактик, які в мільйон разів щільніше, ніж середня щільність Всесвіту, утворилися з областей молодого Всесвіту з надмірною щільністю, в той час як великі космічні порожнечі виникли з менш щільних його частин.

Ріс. 5. Карта фонового реліктового електромагнітного випромінювання Всесвіту, складена за 9-річний період супутникових спостережень. З результатів було прибрано спектр випромінювання абсолютно чорного тіла для середньої температури міжзоряного простору 2,725 K, щоб показати флуктуації. Жовтий і червоний кольори показують вищу температуру, синій — нижчу. Інтенсивність флуктуацій реліктового випромінювання становить величину від 10 — 4 до ¹⁰ — 5 від середнього значення

Картина розподілу щільності, наведена на малюнку 5, дає нам можливість скласти уявлення про просторовий спектр цих флуктуацій. На малюнку 6 показано спектр флуктуацій реліктового випромінювання залежно від кутового розміру його джерела. Насамперед ми бачимо, що існує характерний кутовий розмір у просторовому розподілі щільності, що відповідає головному максимуму в спектрі. Розмір просторових флуктуацій щільності в ранньому Всесвіті мало відрізняється від 1 ° у нашому спектрі, що свідчить про достатню просторову однорідність флуктуацій. Далі, наявність додаткових максимумів показує можливість аналізу тонкої структури раннього Всесвіту. Фахівці вважають, що ставлення наступного піку до першого (або непарних до парних піків у загальному випадку) визначає баріонну щільність середовища, тоді як третій пік інформує про щільність темної матерії.

Ріс. 6. Просторовий спектр флуктуацій реліктового електромагнітного випромінювання Всесвіту

Електромагнітні хвилі реліктового випромінювання принесли нам інформацію про акустичні коливання, які були у Всесвіті мільярди років тому. Інше астрономічне застосування звуку — його використання для розширення можливості сприйняття різного роду даних, особливо тих, для яких у нас немає досвіду обробки. Нова інформація іноді краще сприймається вухами, ніж очима. Наприклад, наші очі можуть розрізняти зображення, що миготять з частотою не більше 10 Гц, в той час як наші вуха можуть сприймати зміни в процесі з частотою до 20 кГц. Крім того, наші вуха можуть бути чутливі до нюансів, які не дуже добре видно на діаграмах часових рядів або на спектрах. Тому досить часто різного роду електричні сигнали переводять у звук, щоб їх можна було проаналізувати за допомогою нашого звукового сприйняття.

Як приклад можна навести акустичне представлення сигналу з лазерного інтерферометра гравітаційно-хвильової обсерваторії (LIGO) при реєстрації гравітаційних хвиль під час спостереження злиття чорних дір. Виявилося, що гравітаційні хвилі, що виникають у цьому спостереженні, обурювали лазерне випромінювання в акустичному діапазоні частот. Щоб отримати уявлення про характер гравітаційного обурення, перевели сигнал з інтерферометра на гучномовець. І цей прийом дозволив виявити в шумі 0, 2-секундне частотно-модульоване чирикання. Це чирикання відповідало зростаючій швидкості закручування чорних дір у процесі злиття. Отримавши таке попереднє уявлення про характер зареєстрованого сигналу, можна вже переходити і до стандартних процедур обробки, які, звичайно надійніше і об’єктивніше, ніж вухо.

Іншим прикладом може бути «озвучування» електромагнітних портретів Сонця і планет Сонячної системи. Флуктуації електромагнітного випромінювання від космічного об’єкта транслюються через гучномовець. (З результатом можна познайомитися на сайті НАСА.) Виявляється у кожної планети є свій власний ні на що не схожий акустичний образ.

Ув’язнення

Отже, як нам відповісти на запитання, поставлене у заголовку статті? Чи можливий звук у космосі? Звичайно ні. Звук існує і поширюється тільки в упругому середовищі. Звук — це пружні коливання середовища, тобто коливання його щільності, тиску, температури. Міжзоряний простір — це надзвичайно розріджене середовище. Атоми міжзоряного газу пробігають від зіткнення до зіткнення мільярди кілометрів. Звук у таких умовах практично неможливий. Але Всесвіт народився зі звуком. Звукові коливання в ранньому Всесвіті визначили багато в чому її сучасну структуру. Поштовхом до утворення галактик стали акустичні коливання плазми раннього Всесвіту. Тому без звуку не було б і нашого Всесвіту!

Звук бере участь у вивченні космосу. Дослідження структури планет і астероїдів, виявлення води на Місяці — все це було зроблено за допомогою звуку. Звук допомагає дослідити структуру Сонця. У звуку немає конкуренції в дослідженні електропровідних середовищ: плазма, океани, внутрішня структура планет, куди не проникають електромагнітні хвилі. Таким чином, без звуку наші уявлення про космос, його будову і будову космічних тіл були б не повними. Звук — це інструмент для дослідження космосу.

Зазначимо, що при написанні цієї статті були використані матеріали статті «Акустика і астрономія» (J. F. Lynch. Acoustics and Astronomy), опублікованій в журналі «Акустика сьогодні» (Acoustics Today, 2017, v. 13, n. 4). Тим, кого зацікавила тема цієї статті, радимо подивитися першоджерело. Він є у вільному доступі. Там же можна знайти посилання на додаткові сайти з демонстраціями інших акустичних ефектів у космосі. Так, на сайті Дж.Г. Кремера з Вашингтонського університету можна познайомитися з акустичною моделлю звуку Великого вибуху вірніше — звуку після Великого вибуху.