Звук в космосе

Игорь Есипов
«Квант» №11, 2019

Как известно, особенностью звуковых волн, отличающих их от электромагнитных или гравитационных, является то, что они могут распространяться только в упругой сплошной среде. В космосе царит пустота. Типичная плотность вещества в межзвездном пространстве порядка 106;107 атомов (в основном водорода) на один кубический метр при температуре T = 2,7 К (это около ;270°C). Среднеквадратичная скорость движения таких атомов, согласно соответствующим законам молекулярной физики, определяется выражением vср=3RT/M;;;;;;;;
, где R = 8,3 Дж / (моль · град) — газовая постоянная, M — молярная масса. Для атомарного водорода M = 10;3 кг/моль. Таким образом, для атомов водорода в межзвездном пространстве среднеквадратичная скорость будет около 250 м/с.

При таких условиях атом водорода сталкивается с другим атомом примерно один раз в несколько миллиардов секунд, т.е. частота столкновений ; ; 3 · 10;10 с;1, пробегая расстояние от столкновения до столкновения ; = vср / ; ; 109 км (длина свободного пробега) — миллиард километров. Предполагая, что длина звуковой волны должна быть заведомо больше длины свободного пробега в веществе, а частота звука меньше частоты столкновений атомов, получаем, что такой звук будет иметь частоту колебаний меньше миллиардной доли секунды (меньше 10;9 Гц).

Такой звук нельзя воспринимать человеческим слухом, для которого характерен частотный диапазон 20–20000 Гц. Однако Вселенная огромна в пространстве (около 46 миллиардов световых лет или 43 · 1022 км) и достаточно стара во времени (приблизительно 14 миллиардов лет), так что у звука есть возможность возникнуть в разных местах Вселенной на различных этапах ее развития. Кроме того, звук также является весьма полезным инструментом для изучения Вселенной.

Давайте попробуем совершить путешествие через пространство и время, потому что чем дальше мы сможем заглянуть в глубину Вселенной, тем на более древнем этапе ее истории мы окажемся. Начнем наше путешествие из Солнечной системы от планеты Земля.

Звук на Земле
Как вы знаете, звук обеспечивает один из самых распространенных способов общения между животными и людьми. Однако более важно, что звук также является отличным инструментом для дистанционного зондирования окружающей среды, атмосферы, океана и структуры нашей планеты (см., например, статью «Физика звука» в «Кванте» № 12 за 2018 г.).

Сначала кратко рассмотрим, как мы изучаем звук на Земле. Земная гравитация создала слоистую структуру атмосферы, океана и земной коры. Поэтому на Земле имеются условия для существования звуковых каналов, по которым звук может пробегать огромные расстояния без существенного затухания. Скорость звука возрастает с температурой, зависит от скорости ветра в атмосфере или течения в океане. В земной коре скорость звука зависит от плотности и структуры вещества, что позволяет сейсмологам находить подземные месторождения полезных ископаемых. Пробегая в океане большие расстояния, звук оказывается чувствительным к малым изменениям средней температуры океана, что может быть критерием глобального потепления (рис. 1). Несколько пересекающихся акустических путей используется для акустической томографии, которая обеспечивает 4D-изображения океанических процессов (3D-пространство плюс время).

Рис. 1. Схема акустической термометрии в Тихом океане («Квант» №11, 2019)
Рис. 1. Схема акустической термометрии в Тихом океане (АТОС — акустическая термометрия океанского климата). Измеряется время распространения звука на протяженных трассах между Гавайями, Алеутскими островами и Калифорнией. Это время зависит от температуры среды

У нас имеется большое разнообразие акустических методов и инструментов для исследования структуры земной коры, океана и атмосферы здесь на Земле. И возникает естественный вопрос — можем ли мы взять их в космос для исследований на других планетах? Ответить на этот вопрос не так просто. Исследование космоса имеет ряд существенных ограничений, которые необходимо выполнять, и не все известные нам методы, которые используются на Земле, удовлетворяют этим ограничениям.

Во-первых, и, пожалуй, самое строгое ограничение, это вес полезной нагрузки. Доставка оборудования в космос — весьма дорогостоящая процедура, а многие акустические методы (особенно те, которые связаны с низкочастотными источниками звука) требуют тяжелого оборудования. Во-вторых, есть ограничения по энергопотреблению оборудования. В космосе нужно полагаться на тяжелые батареи или солнечные панели, чтобы обеспечить электрическое питание взятых в космический полет приборов. В-третьих, существует конкуренция в исследованиях разными методами. Электромагнитные и гравитационные волны не требуют упругой среды для распространения, и, таким образом, их можно использовать для дистанционного зондирования, в отличие от акустических методов, которые требуют установки измерительных приборов на планете. Поэтому акустические методы могут быть полезными там, где у них нет конкуренции. Это, прежде всего, исследование электропроводящих сред: плазма, океаны, внутренняя структура планет, куда не проникают электромагнитные волны. И наконец, нужно учитывать тот факт, что акустические методы не обязательно имеют такую же эффективность на других планетах, о которой мы знаем на Земле. Эффективность акустических методов зависит от состояния среды, в которой они используются, а давление, температура, плотность и химический состав других миров, как правило, сильно отличаются от того, к чему мы привыкли здесь, на Земле.

В этой связи важно понять, как уже используются акустические методы в космосе и какие имеются результаты, полученные с их помощью.

Исследование Луны
Рис. 2. Лунная станция «Луна-16» совершает посадку («Квант» №11, 2019)
Рис. 2. Лунная станция «Луна-16» совершает посадку

Начало инструментального исследования Луны можно отнести к 1959 году, когда впервые рукотворный инструмент достиг поверхности естественного спутника Земли. Это была советская станция «Луна-2». В 1969 году американский космический корабль «Аполлон-11» доставил на Луну первую в истории экспедицию. Эта и последующие экспедиции (последним был полет корабля «Аполлон-17» в 1972 г.) позволили выполнить ряд наблюдений на Луне и доставили образцы лунного грунта на Землю. В это же время СССР запустил ряд автоматических лунных станций («Луна-16» в 1970 г. и последняя «Луна-24» в 1976 г.), которые также выполнили исследования на Луне и доставили на Землю лунный грунт (рис. 2).

Автоматические станции «Луна» доставляли на Землю керны лунного реголита, полученные в результате бурения на глубину более 2-х метров. Чтобы обеспечить такое бурение и получить неразрушенные керны, дополнительно использовалось ультразвуковое возмущение бура. Такая ультразвуковая технология лунного бурения позволила получить качественные образцы кернов, показавшие структуру лунного реголита. Анализ результатов этих полетов впервые дал убедительное доказательство наличия на Луне воды. Значительно позже, в 1990-х годах, американцы смогли получить аналогичные результаты. В структуре лунного грунта была обнаружена вода!

В ходе исследований по программе «Аполлон» измерялись различные физические поля на поверхности Луны, но достаточно детальную картину внутренней структуры Луны удалось получить именно акустическим методом. Акустические сигналы могли возбуждаться при старте возвращающейся ракеты либо естественными возмущениями поверхности Луны (включая падение метеоритов). Сигналы, возбужденные на поверхности, распространяются в глубь Луны, там они рассеиваются и отражаются на внутренней структуре. С помощью линейки сейсмических приемников, установленной на лунной поверхности, рассеянные внутренней структурой акустические сигналы регистрировались и затем передавались по радиоканалу связи на Землю.

Рис. 3. Внутренняя структура Луны («Квант» №11, 2019)
Рис. 3. Внутренняя структура Луны

Стоит заметить, что хотя сейсмические и другие эксперименты на Луне были прекращены в 1977 году, полученные данные от лунных сейсмических датчиков были заново обработаны в 2010 году с применением современных вычислительных средств. Интересно, что эта обработка показала новый вид лунного ядра: твердое ядро, окруженное жидким внешним ядром, в свою очередь, окруженным слоем частично расплавленной магмы (рис. 3).

Полученный опыт сейсмических исследований на Луне успешно применятся при исследовании астероидов. Автоматическая стация устанавливает на поверхности астероида сейсмоприемники, которые регистрируют искусственные или естественные возмущения и их отражения от внутренней структуры.

Звук на Солнце
Солнце — это достаточно плотная ионизированная газовая структура. Мы не можем сомневаться в существовании звука на Солнце. Конечно, интенсивные вихри горячего газа в его верхних слоях и турбулентность создают страшный рев в широкой полосе частот. Однако на Земле мы этот рев не слышим, поскольку между Землей и Солнцем имеется 150 миллионов километров вакуума, который не пропускает звук.

В верхних слоях солнечной атмосферы температура газа ниже, чем в более глубоких слоях. По опыту исследования распространения звука в стратифицированной среде можно ожидать, что звук будет концентрироваться в области с минимальной скоростью своего распространения, т.е. в слое с минимальной температурой. Звук, рождаясь в результате турбулентных движений в конвективных зонах, распространяется таким образом, чтобы остаться в верхних слоях солнечной атмосферы (рис. 4). На глубине скорость звука и температура резко увеличиваются, и это заставляет звук возвращается обратно в конвективную зону. Солнце имеет сферическую форму, поэтому звук, распространяясь по циклическим траекториям вдоль поверхности Солнца (p-моды на рисунке 4, что соответствует волнам давления), будет усиливаться, если число таких циклов будет целым. В таком случае мы можем считать Солнце резонатором, в котором усиливаются определенные колебания — сферические моды.

Рис. 4. Слоистая структура Солнца и лучи, по которым распространяется звук («Квант» №11, 2019)
Рис. 4. Слоистая структура Солнца и лучи, по которым распространяется звук. Звук, распространяющийся по целочисленным циклам, усиливается и создает сферические моды колебаний давления на поверхности (p-моды) и внутренние волны в поле тяготения (g-моды)

Заметим, что на Солнце не может быть сдвиговых волн, эффективных в сейсмических задачах на Земле или на других планетах. Солнце — это плотный газ (или жидкость), в такой среде отсутствует модуль сдвига и поэтому солнечная среда не может обеспечить распространение сдвиговой волны. На большой глубине, в радиационной зоне и ядре, существенны силы гравитации, а не упругости. Поэтому там будут распространяться не упругие волны давления, а внутренние волны, совершающие движение под действием сил плавучести (g-моды на рисунке 4). Так что это скорее гидродинамическая, а не акустическая задача. Эти волны (g-моды) затухают в области конвективных потоков и не доходят до поверхности, и поверхность Солнца не отражает информацию о ядре.

Однако в последнее время появились данные о возможности наблюдения этих слабых волн на Земле. Ядро Солнца вращается с периодом один оборот в семь дней, что намного быстрее, чем вращение радиационной и конвективной зон. Волны g-моды модулируют магнитное поле, создаваемое вращающимся ядром Солнца, и эти модуляционные составляющие с периодом в 7 дней были зарегистрированы земными магнетометрами.

Таким образом, получается, что мы можем слышать звук Солнца на Земле.

Создание нашей Вселенной с помощью звука: Большой взрыв
Принято считать, что наша Вселенная была создана в результате уникального космического явления, которое назвали «Большой взрыв». Открытие в 1964 году реликтового электромагнитного излучения является свидетельством этого события и последующего расширения Вселенной.

С момента создания нашей Вселенной и начинается история акустических волн. Сразу после Большого взрыва Вселенная представляла собой горячую кварк-глюонную плазму, которая остывала по мере расширения пространства. Из нее появились все частицы, составляющие видимую материю. Когда температура снизилась достаточно для объединения протонов и электронов в атомы, материя перешла в нейтральное состояние (рекомбинировала), а излучение отделилось от нее. Оно наблюдается сегодня в виде электромагнитного фонового излучения — реликтового излучения. Это — отправные пункты начальных этапов развития нашей Вселенной согласно теории Большого взрыва.

Особенностью этой теории является то, что она объясняет флуктуации плотности, возникшие согласно принципу неопределенности квантовой механики. В изначально горячей расширяющейся плазме, содержащей темную материю, барионы, электроны, фотоны и нейтрино, возникли области избыточной плотности вещества и области разряжения, что может быть источником звуковых волн. Возникающие в таком случае силы тяготения и силы давления противостоят друг другу и создают упругие колебания среды, очень похожие на то, как звук возникает в воздухе в результате действия быстрых перепадов давления. На начальном этапе рождения Вселенной скорости распространения этих акустических волн были вполне релятивистскими и составляли чуть больше половины скорость света!

Примерно через 380 000 лет после начала истории нашей Вселенной расширяющаяся плазма достаточно остыла (ниже 3000 К) для того, чтобы электроны и протоны смогли объединиться в устойчивые нейтральные атомы (прежде всего водорода). Это создало условия для свободного излучения фотонов. Электромагнитное излучение больше не поглощалось ионизованной плазмой, и фотоны получили возможность путешествовать на любые расстояния, потому что нейтральные атомы не могут заметно поглощать электромагнитную энергию. Когда это произошло? Флуктуации в пространстве областей повышенной плотности среды и пониженной плотности (т.е. акустические волны) как бы застыли в фазе, соответствующей акту последнего излучения, и среда потеряла упругость. В результате возникли пространственные достаточно стабильные флуктуации плотности вещества во Вселенной, которые находят свое отражение в пространственных флуктуациях реликтового электромагнитного излучения.

На рисунке 5 показана карта флуктуаций реликтового излучения, приходящего со всей небесной сферы, и эта карта отражает акустические колебания в молодой Вселенной! Но что интересного можно узнать, глядя на эту карту? Интенсивность флуктуаций реликтового излучения составляет величину от 10;4 до 10;5 от среднего значения. Следовательно, относительная величина флуктуаций давления в среде была того же порядка, что соответствует довольно интенсивным акустическим колебаниям. Так, звуковой шум с такими флуктуациями давления в 10 раз громче, чем уровень шума в метро. Иными словами, в молодой Вселенной существовали звуковые волны весьма существенной амплитуды. Возмущения плотности среды указывают на зародыши будущей структуры Вселенной. Галактики и скопления галактик, которые в миллион раз плотнее, чем средняя плотность Вселенной, образовались из областей молодой Вселенной с избыточной плотностью, в то время как обширные космические пустоты возникли из менее плотных ее частей.

Неоднородности реликтового фона, зафиксированные астрономическим спутником Европейского космического агентства «Планк» («Наука и жизнь» №6, 2019)
Рис. 5. Карта фонового реликтового электромагнитного излучения Вселенной, составленная за 9-летний период спутниковых наблюдений. Из результатов был убран спектр излучения абсолютно черного тела для средней температуры межзвездного пространства 2,725 K, чтобы показать флуктуации. Желтый и красный цвета показывают более высокую температуру, синий — более низкую. Интенсивность флуктуаций реликтового излучения составляет величину от 10;4 до 10;5 от среднего значения

Картина распределения плотности, приведенная на рисунке 5, дает нам возможность составить представление о пространственном спектре этих флуктуаций. На рисунке 6 показан спектр флуктуаций реликтового излучения в зависимости от углового размера его источника. Прежде всего мы видим, что существует характерный угловой размер в пространственном распределении плотности, соответствующий главному максимуму в спектре. Размер пространственных флуктуаций плотности в ранней Вселенной мало отличается от 1° в нашем спектре, что свидетельствует о достаточной пространственной однородности флуктуаций. Далее, наличие дополнительных максимумов показывает возможность анализа тонкой структуры ранней Вселенной. Специалисты считают, что отношение следующего пика к первому (или нечетных к четным пикам в общем случае) определяет барионную плотность среды, тогда как третий пик информирует о плотности темной материи.

Рис. 6. Пространственный спектр флуктуаций реликтового электромагнитного излучения Вселенной
Рис. 6. Пространственный спектр флуктуаций реликтового электромагнитного излучения Вселенной

Электромагнитные волны реликтового излучения принесли нам информацию об акустических колебаниях, которые были во Вселенной миллиарды лет назад. Другое астрономическое применение звука — его использование для расширения возможности восприятия различного рода данных, особенно тех, для которых у нас нет опыта обработки. Новая информация иногда лучше воспринимается ушами, чем глазами. Например, наши глаза могут различать изображения, мелькающие с частотой не больше 10 Гц, в то время как наши уши могут воспринимать изменения в процессе с частотой до 20 кГц. Кроме того, наши уши могут быть чувствительны к нюансам, которые не очень хорошо видны на диаграммах временных рядов или на спектрах. Поэтому довольно часто разного рода электрические сигналы переводят в звук, чтобы их можно было проанализировать с помощью нашего звукового восприятия.

В качестве примера можно привести акустическое представление сигнала с лазерного интерферометра гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) при регистрации гравитационных волн во время наблюдения слияния черных дыр. Оказалось, что гравитационные волны, возникающие в этом наблюдении, возмущали лазерное излучение в акустическом диапазоне частот. Чтобы получить представление о характере гравитационного возмущения, перевели сигнал с интерферометра на громкоговоритель. И этот прием позволил выявить в шуме 0,2-секундное частотно-модулированное чириканье. Это чириканье соответствовало возрастающей скорости закручивания черных дыр в процессе слияния. Получив такое предварительное представление о характере зарегистрированного сигнала, можно уже переходить и к стандартным процедурам обработки, которые, конечно надежнее и объективнее, чем ухо.

Другим примером может быть «озвучивание» электромагнитных портретов Солнца и планет Солнечной системы. Флуктуации электромагнитного излучения от космического объекта транслируются через громкоговоритель. (С результатом можно познакомиться на сайте НАСА.) Оказывается у каждой планеты есть свой собственный ни на что не похожий акустический образ.

Заключение
Итак, как мы сможем ответить на вопрос, заданный в заголовке статьи? Возможен ли звук в космосе? Конечно, нет. Звук существует и распространяется только в упругой среде. Звук — это упругие колебания среды, т.е. колебания ее плотности, давления, температуры. Межзвездное пространство — это чрезвычайно разреженная среда. Атомы межзвездного газа пробегают от столкновения до столкновения миллиарды километров. Звук в таких условиях практически невозможен. Но Вселенная родилась со звуком. Звуковые колебания в ранней Вселенной определили во многом ее современную структуру. Толчком к образованию галактик стали акустические колебания плазмы ранней Вселенной. Поэтому без звука не было бы и нашей Вселенной!

Звук участвует в изучении космоса. Исследования структуры планет и астероидов, обнаружение воды на Луне — все это было сделано с помощью звука. Звук помогает исследовать структуру Солнца. У звука нет конкуренции в исследовании электропроводящих сред: плазма, океаны, внутренняя структура планет, куда не проникают электромагнитные волны. Таким образом, без звука наши представления о космосе, его строении и строении космических тел были бы не полными. Звук — это инструмент для исследования космоса.

Отметим, что при написании этой статьи были использованы материалы статьи «Акустика и астрономия» (J. F. Lynch. Acoustics and Astronomy), опубликованной в журнале «Акустика сегодня» (Acoustics Today, 2017, v. 13, n. 4). Тем, кого заинтересовала тема этой статьи, советуем посмотреть первоисточник. Он имеется в свободном доступе. Там же можно найти ссылки на дополнительные сайты с демонстрациями других акустических эффектов в космосе. Так, на сайте Дж. Г. Кремера из Вашингтонского университета можно познакомиться с акустической моделью звука Большого взрыва вернее — звука после Большого взрыва.