Hvernig hljóð úr geimnum sýna annars hulin kosmísk fyrirbæri

ÞAÐ Hljómar eins og flugeldur, brak á eftir með daufum glampa. Þá myndast suð í bakgrunni. Fljótlega tekur það fram að það sem hljómar eins og hrunbylgja, fylgt eftir af annarri og annarri, hver hærra en fyrri. Á milli öldurnar pípa handahófskenndar tónar.

Þetta er hljóðið af a svarthol. Nánar tiltekið kallast „svarthola-stjörnukerfi“ í um 7800 ljósára fjarlægð frá jörðinni V404 Cygni. Flugeldurinn er hljóð svartholsins. Bylgjurnar sem hrynja eru ljós bergmál, orkusprengjur sem hrökkva af gasi og ryki í nágrenninu. Tilviljunarkennurnar eru einstakar stjörnur.

Svona myndi svarthol hljóma í raun og veru. Það er hljóðheimur sem NASA hefur búið til til að tákna gögn úr sjónaukum. Það er ekki nýtt að nota hljóð á þennan hátt, þekkt sem hljóðritun. Í áratugi hefur það að mestu verið notað fyrir almenning eða af handfylli stjörnufræðinga sem eru blindir eða sjónskertir.

En á undanförnum árum hafa fleiri og fleiri stjörnufræðingar áttað sig á ávinningi þess að „hlusta“ á alheiminn. Það gerir þeim kleift að sigta í gegnum hluta af gögnum sem þeir myndu annars eiga í erfiðleikum með að greina og jafnvel velja merki sem þeir gætu hafa misst af. „Hlustunarkerfið okkar getur oft greint mynstur og dregið út merkingu, jafnvel þegar sjónkerfi okkar er ekki fær um það,“ segir Bruce Walker við Georgia Institute of Technology. Nú er hreyfing í gangi til að breyta innstreymi gagna frá stjörnustöðvum um allan heim og víðar í hljóð. Vonin er að þetta muni bjóða upp á ótrúlega nýja sýn á alheiminn og leiða til fleiri uppgötvana.

Fyrstu stjarnfræðilegu niðurstöðurnar sem gerðar voru með þessum hætti voru af tilviljun. Árið 1932 var bandarískur eðlisfræðingur og útvarpsverkfræðingur Karl Guthe Jansky falið að bera kennsl á uppsprettur truflana í fjarskiptum erlendis. Með því að nota snúningsloftnet sem hann smíðaði og kallaði „Jansky’s Merry-go-round“ heyrði hann viðvarandi hvæs allan daginn. Eftir að hafa útilokað alls kyns aðrar mögulegar skýringar uppgötvaði Jansky að lokum að hvæsið var í raun afleiðing af útvarpsbylgjum sem komu frá miðju Vetrarbrautarinnar. Þetta var fæðing útvarpsstjörnufræði.

Elding á Satúrnusi

Það var ekki fyrr en á sjöunda áratugnum sem stjörnufræðingar fóru að hlusta á gögn þeirra viljandi. Og það var Donald Gurnett við háskólann í Iowa sem var brautryðjandi tækninnar. Þegar gögn komu til baka frá Voyager 1 leiðangur þegar það flaug framhjá Io, tungli Júpíters, árið 1979, hlustaði Gurnett á merkin og greindi lágtíðni útvarpsbylgjur. Á níunda áratugnum notuðu Gurnett og félagar hans hljóðgerving til að bera kennsl á vandamál sem hafa áhrif á Voyager 2 verkefni þar sem það fór yfir hringi Satúrnusar. Þegar þeir breyttu merkjum frá útvarps- og plasmabylgjuvísindatækinu farþega í hljóðmynd heyrðu þeir hljóð sem þeir lýstu sem „líkist hagléli“ . Þetta leiddi til þess að uppgötvunin var að rafsegulhlaðnir örloftsteinar á stærð við rykkorn voru að sprengja rannsakann.

Seinna, árið 2004, tók Gurnett gögn frá Cassini leiðangrinum og breytti þeim í hljóð til að uppgötva eldingar á Satúrnusi sem og geislun frá rafeindum í norðurljósasvæði plánetunnar. Hljóðið og brakið í eldingunum hljómar eins og hávaði sem þú gætir heyrt ef þú hlustar á útvarp í þrumuveðri á jörðinni.

Gurnett, sem lést í janúar 2022, var mjög meðvitaður um kosti þess að hlusta á, frekar en að skoða gögn. Fyrir það fyrsta skapar hljóðgreining nýja leið til að melta flókin gögn. Segðu að þú viljir skilja hvernig vetrarbraut gefur frá sér ákveðna tíðni ljóss. Þú ert að reyna að komast að því hvernig það tengist aldri þessarar vetrarbrautar, massa og öðrum eiginleikum, eins og hvernig hún hreyfist eða gasinu sem hún gefur frá sér. Þetta er meira en fjórar víddir (hæð, breidd, dýpt og tími) sem hægt er að sýna sjónrænt. Ef við notum hljóð getum við myndað allt að 12 víddir í einu, segir Anita Zanella við háskólann í Cambridge. „Hljóð hefur allt að 12 færibreytur sem einkenna það, þar á meðal tíðni, hrynjandi, rýmingu og svo framvegis.

Annar ávinningur liggur í þeirri staðreynd að við getum einbeitt okkur að nokkrum hljóðum á sama tíma og síað út óþarfa hávaða. Þetta er kunnáttan sem hjálpar okkur að skilja hvað vinir okkar gætu verið að segja í miðri háværu veislu, þess vegna er hún kallaður kokteilveisluáhrif.

Það gerir hljóðritun að leið til að hjálpa til við að finna út veik merki í háværum stjarnfræðilegum gögnum. „Margar [stjörnufræðilegar] rannsóknir snúast um að greina dauf merki frá fjarlægum uppsprettum í geimnum í hávaðasömum bakgrunni,“ segir Zanella. Þyngdarbylgjur eru gott dæmi. Tökum sem dæmi tvö svarthol sem sameinast. Í einni rannsókn hermdi Zanella eftir þyngdarbylgjumerkinu sem þessi sameining myndi gefa frá sér og setti það inn í raunverulegt gagnasafn frá Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, eða LIGO. „Sjónrænt geturðu ekki greint merki frá hávaða,“ segir hún, „en þegar þú hlustar á hljóðflutninginn er hann greinilega aðgreindur.

Einhver annar sem veit allt um gildi þessarar tækni er Wanda Díaz-Merced , stjörnufræðingur hjá evrópsku þyngdarathugunarstöðinni í Cascina á Ítalíu. Hún var unglingur þegar hún byrjaði að missa sjónina. „Ég myndi horfa á móður mína,“ rifjar hún upp, „og á meðan ég vissi að hún væri þarna og ég gæti séð allt annað í kringum hana, gat ég ekki séð hana. Eftir því sem árin liðu versnaði sjón hennar þar til hún stóð frammi fyrir því að verða blind í háskólanámi í eðlisfræði. Hún hélt að hún yrði að hætta.

Þetta breyttist allt þegar vinkona hans lék Díaz-Merced sem sonargjöf um fjöldaútskilnað kransæðar, risastór brottrekstri blóðvökva úr sólinni. Á því augnabliki fékk hún skýringarmynd. Með hjálp samstarfsmanna, og miklum tíma í að greiða töflureikna, byrjaði Díaz-Merced að breyta öllum gögnum sínum í hljóð. Hún hefur síðan notað hljóðgerving til að rannsaka þyngdarbylgjur, svarthol og gammageisla – bjartustu birtingar ljóssins síðan miklahvell.

Einu sinni var Díaz-Merced að hlusta á hljóð gammageisla þegar hún heyrði undarlegt tíst, tíst og ryst innan hávaðasamra gagna. Hljóðin minntu hana á hljóðin frá sólvindinum . Á bak við þetta uppgötvuðu hún og samstarfsmenn hennar að gammablossarnir gáfu frá sér orkuhlaðnar agnir sem skipta sköpum fyrir myndun nýrra stjarna. „Við erum vön að hlusta á mörg hljóð á sama tíma, aðskilja merki frá hávaða og ákvarða hvernig hin ýmsu hljóð tengjast – eða ekki,“ segir Walker. „Sonification getur miðlað upplýsingum um margar heimildir eða atburði eða gagnastrauma og hlustendur geta unnið úr því og haft skilning á því.

Þetta er sérstaklega mikilvægt um þessar mundir í grein stjörnufræðinnar sem leitar að svokölluðum skammvinnum fyrirbærum. Einnig þekkt sem tímasviðsstjörnufræði, það er rannsókn á skammvinnum fyrirbærum á himninum sem breytast á tiltölulega stuttum tímamörkum, til dæmis sprengingu deyjandi stjörnu sem helst aðeins björt í nokkrar vikur eða blikka nifteindastjörnu sem snýst hratt. sést í nokkrar sekúndur. Margar af þeim út-af-the-blue uppgötvunum sem gerðar hafa verið í stjörnufræði hingað til hafa verið óvart greiningar á skammvinnum atburðum og sumir halda að skammvinnir séu besta leiðin til að uppgötva hluti sem við getum ekki einu sinni ímyndað okkur að séu til. Af þessum sökum hefur Vera C. Rubin stjörnustöðin í Chile, sem á að hefja mælingar árið 2023, mun skanna allan suðurhimininn á þriggja nætur fresti í 10 ár fyrir Legacy Survey of Space and Time (LSST) – sem er sérstaklega hönnuð til að leita að þessum tegundum blikkar. Nýjasta verkefni stjörnustöðvarinnar, Rubin Rhapsodies , mun bjóða hverjum sem er fullan aðgang að LSST gögnum sem táknuð eru sem hljóð í viðleitni til að auka aðgang að skjalasafni hennar.

Í Ástralíu hefur verkefni sem kallast Deeper, Wider, Faster, sem samhæfir meira en 30 sjónaukaaðstöðu um allan heim og í geimnum, þegar byrjað að nota hljóðgreining til að fylgjast með skammvinnum stjarnfræðilegum fyrirbærum. Þetta hefur greint þúsundir slíkra fyrirbæra innan okkar eigin vetrarbrautar, þar á meðal tugi M-dvergblossa, sem eru stjörnur sem upplifa ófyrirsjáanlega og skyndilega aukningu á birtu yfir tímakvarða frá sekúndum til mínútum, og sprengistjörnur af gerð 1a, stjörnusprengingar sem taka þátt í tvístjörnukerfum.

Þú gætir velt því fyrir þér, í ljósi þess hversu flókið gagnasöfnin eru sem stjörnufræðingar fá úr sjónaukunum okkar, hvers vegna gervigreind og vélanámskerfi eru ekki notuð í stað hljóðgervings. Hins vegar er sjálfvirk greining almennt byggð á þekktri hegðun og fyrirbærum. Með öðrum orðum, gervigreind af þessu tagi er góð í að velja ákveðin merki sem hún er hönnuð til að leita að, en ekki svo góð í að taka eftir einhverju öðru og segja „það er áhugavert“. Að minnsta kosti ekki ennþá.

En alheimurinn er fullur af fyrirbærum sem við eigum enn eftir að skilja til fulls og stór hluti stjörnufræðinnar – sérstaklega sú sem gerð er með sjónaukum eins og Vera C. Rubin stjörnustöðinni – felur í sér að skanna himininn í leit að einhverju nýju. Fyrir hávaðasöm og fjölvídd gagnapakka, gefur hljóðgreining tækifæri fyrir mannlegt inntak til að hjálpa til við að bera kennsl á áhugaverða eiginleika, auk þess að greina mikilvægi frávika og frávika, þjálfa vélanámshugbúnað og ákveða hvað er viðeigandi í gögnunum. Gervigreind kerfi eiga enn eftir að líkja eftir þessum eiginleikum mannlegrar þekkingar, sérstaklega þegar óvissa stendur frammi fyrir.

Einn ásteytingarsteinn er að það eru margar leiðir til að breyta stjarnfræðilegum gögnum í hljóð. Vegna þess að stjörnufræðingar, sem nota hljóðgervinga í dag, gera það að mestu leyti með því að nota tækni sem samstarfsmenn hafa sent frá sér eða sem þeir hafa þróað sjálfir, vegna þess að hún er óslitin. Þessar aðferðir eru oft ekki stranglega prófaðar með tilliti til virkni þeirra og eru hvorki birtar né ritrýndar, sem takmarkar enn frekar þekkingarskipti og eykur hættuna á að finna upp hjólið aftur margfalt.

Til að takast á við þetta hefur Zanella verið í samstarfi við sálfræðideild háskólans í Padova á Ítalíu til að þróa fyrsta sameiginlega doktorsgráðuna í stjörnufræði og sálarhljóðfræði, sem er vísindin um hvernig við skynjum hljóð. Forritið hófst í Padova núna í október, með það að markmiði að finna bestu leiðirnar til að hljóðfæra stjarnfræðilegar gagnasöfn og koma á staðlaðum aðferðum, þannig að einn daginn verði þetta staðlaða tæknin sem öllum stendur til boða.

Fyrir Díaz-Merced bætir þetta allt saman spennandi skref fram á við í stjörnufræði. Fleiri sjónaukar sem breyta gögnum sínum í hljóð bætir aðgengi fólks sem er blindt eða sjónskert, og þýðir að færri munu standa frammi fyrir ákvörðuninni sem hún stóð frammi fyrir – hvort þeir halda áfram að læra eðlisfræði eða ekki.

Fyrir utan þetta er hún ánægð að sjá að tækni sem hún hefur notað svo lengi byrjar að taka upp í samfélaginu. „Það er enn mikið ógert,“ segir hún. Margir vísindamenn eiga enn eftir að samþykkja að það séu aðrar leiðir til að greina upplýsingar, en hún er enn vongóð. „Það er alheimur af möguleikum og ég er mjög spenntur fyrir því.