Ничто так не бодрит жарким летом, как хорошая летняя школа по астрофизике. Нашу школу мы проводим во второй раз, поэтому смогли сделать её ещё лучше, чем в прошлом году. По сравнению с 2022 годом нам удалось увеличить количество участников до 20 и существенно расширить их географию, провести отбор самых сильных заявок, подготовить виртуальную машину с необходимым софтом и даже найти мецената, который материально поддержал участие некоторых студентов.
Всего мы получили 39 заявок на участие, каждая из которых была независимо оценена тремя членами научного оргкомитета, в который входили Михаил Лисаков (АКЦ ФИАН, председатель), Сергей Дроздов (АКЦ ФИАН), Елена Нохрина (МФТИ), Илья Пащенко (АКЦ ФИАН), Юрий Ковалев (АКЦ ФИАН, МФТИ, MPIfR), Василий Семёнович Бескин (МФТИ, ФИАН), Андрей Лобанов (MPIfR), Сергей Пилипенко (АКЦ ФИАН) и Татьяна Ларченкова (АКЦ ФИАН). В итоге было выбрано 20 заявок, набравших максимальные баллы. В 2023 году в Школе участвовали студенты 2-6 курсов из МФТИ, МГУ, СПбГУ, ФТИ им. Иоффе, Санкт-Петербургского Политеха, ВШЭ, Кубанского Госуниверситета.
Как и в прошлом году, все занятия проходили на базе Пущинской РадиоАстрономической Обсерватории. Близость к природе, размеренный ритм небольшого города и телескопы под боком — отличное сочетание для продуктивной работы и учёбы. Основная особенность Летней Школы по Астрофизике состоит в том, что больше половины времени посвящено практическим занятиям. Это даёт возможность незамедлительно применить полученные знания на практике, и не только узнать, но и научиться чему-то новому. В этом году студенты слушали лекции и решали задачи по астрофизике релятивистских джетов и радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами, космологии и галактикам с пылью.
“Иногда участников школ называют слушателями. У нас это было совсем не так. Большую часть времени участники Летней Школы по Астрофизике были делателями. Они обрабатывали данные радиоинтерферометров, проводили численные симуляции релятивистских джетов, строили модели Вселенной. Мы учили их тому, что умеем сами. Уверен, мы помогли многим из них расширить их научный кругозор, а приобретённые навыки совместной работы пригодятся им в будущем.”
Михаил Лисаков
Конечно, при проведении школы мы получили поддержку и содействие от многих людей и организаций. АКЦ ФИАН компенсировал все расходы лекторов, за счёт чего мы смогли отменить организационный взнос для участников. Пущинская РадиоАстрономическая Обсерватория предоставила помещения и оборудование для проведения занятий, а её директор Сергей Тюльбашев провёл замечательную экскурсию по телескопам. ЛФИ МФТИ, ГАИШ МГУ и СПбГУ поддержали приезд своих студентов, а Константин Степанов, исполнительный директор компании HFLabs, помог поддержать остальных. В итоге всё сработало отлично, и скоро можно будет планировать следующую школу. А пока, подробности о темах, задачах, отзывы студентов и мнения лекторов можно почитать ниже.
Активные ядра галактик — одни из самых интересных объектов во Вселенной. В области размером с нашу Солнечную систему может генерироваться в тысячу раз больше излучения, чем в целой галактике, и такая мощность может поддерживаться на протяжении миллионов лет. Их центральные чёрные дыры запускают потоки релятивистских частиц, которые преодолевают расстояния в миллионы световых лет. Активные ядра галактик не только излучают во всём диапазоне электромагнитного спектра, но также могут рождать нейтрино сверхвысоких энергий, а слияние их центральных чёрных дыр в ранней Вселенной могло привести к излучению недавно обнаруженных гравитационных волн низкой частоты. Сейчас многие проекты по изучению активных ядер используют метод интерферометрии со сверхдлинными базами, который позволяет рассматривать их центральные области в мельчайших подробностях. Самые известные наблюдательные проекты - это РадиоАстрон, Телескоп Горизонта Событий и планируемый Миллиметрон. Два из этих проектов - российские. Поэтому так важно накапливать опыт обработки интерферометрических наблюдений у нас в стране.
“Когда я рассказывал про активные ядра галактик, мы сыграли в такую игру. Вместо обычного исторического введения я воссоздал атмосферу научного поиска середины прошлого века, выдавая студентам наблюдательные факты и спрашивая, какие выводы о природе этих странных объектов можно сделать и какие новые наблюдения надо провести. Мы начали с первых оптических наблюдений, посмотрели спектры, измерили размеры по переменности, а скорости - по ширине линий. В итоге все сошлись на том, что в активных ядрах галактик должно быть много сверхновых. Самое смешное, что такая теория действительно существовала в 60-х годах. Сейчас то мы знаем, что она неверна. Но за 10 минут смоделировать десятилетия развития понимания активных ядер — было интересно.”
Михаил Лисаков
“Активные ядра галактик очень компактные, и для их детального наблюдения требуются телескопы с экстремальным разрешением. Вместе со студентами, мы оценили необходимые параметры и пришли к тому, что требуется построить телескоп размером с Землю. На первый взгляд кажется, что это невозможно, и где-то была допущена ошибка. Однако, оказалось, что можно объединять множество отдельных телескопов в один, и благодаря этому всё-таки видеть окрестности чёрных дыр. Детальное обсуждение такой технологии - интерферометрии - на лекции уже накладывалось на понимание её необходимости. Последующая практика же показала особенности работы с реальным наблюдениями на таких телескопах. Мы увидели, что наблюдательные данные сильно отличаются от иллюстраций или специальных симуляций - на них бывает сложно даже понять где находится чёрная дыра и в какую сторону бьёт струя плазмы. Несмотря на это, успех в измерениях свойств активных ядер галактик бесспорно был достигнут!”
Александр Плавин
Магнитное поле играет важную роль при запуске и поддержании стабильности релятивистской струи активного ядра галактики. Направление и степень упорядоченности магнитного поля, а также распределение этих характеристик по струе можно получить из наблюдений линейной поляризации. Такие измерения с помощью радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой (РСДБ) дают возможность изучить магнитное поле релятивистской струи на масштабах миллисекунд дуги. На занятии, посвященной этой теме, была показана связь магнитного поля с линейной поляризацией, рассмотрены наблюдения поляризации, указывающие на существование упорядоченной крупномасштабной компоненты и локальных неоднородностей магнитного поля.
На практической работе студенты проводили моделирование поляризационных наблюдений. Задавались физические параметры парсековой струи со спиральных магнитным полем, параметры РСДБ-наблюдений и на выходе были получены наблюдаемые карты распределения степени и направления поляризации по источнику.
“Целью практической работы было показать, что типичные распределения направления поляризации по струе воспроизводятся в модели джета со спиральным магнитном полем. Это предлагалось делать путем варьирования многих физических и наблюдательных параметров. Мне было приятно видеть интерес студентов к этой непростой исследовательской задаче. В основном у всех получилось выявить параметры, оказывающие наибольшее влияние на наблюдаемое направление поляризации, и воспроизвести типичные распределения этой величины.”
Дарья Зобнина
Компьютерная симуляция релятивистских выбросов и направления линейной поляризации в них. Результаты студентов Екатерины Шишкиной и Артёма Чурилкина.
Значительная часть второй недели школы была посвящена космологии. Теоретики постоянно придумывают новые модели устройства Вселенной, и чтобы проверить их на соответствие наблюдениям, надо смоделировать, как будет выглядеть вселенная с теми или иными свойствами: какого размера будут пятна на карте реликтового излучения, когда возникнут первые галактики, как они распределятся в пространстве, сколько будет скоплений галактик, и т.д. Конечно, за неделю невозможно пройти весь путь решения столь сложной задачи, так что мы успели лишь прикоснуться к основным моментам наблюдательной космологии. Тем не менее, студенты школы научились считывать и анализировать карты анизотропии реликта, сами смоделировали образование ячеистой крупномасштабной структуры, построили теоретические предсказания количества скоплений галактик. Мы извлекли из содержащей петабайты информации базы данных больших общедоступных космологических симуляций нужные нам характеристики, и попытались воспроизвести процесс наблюдения модельных галактик.
Самой сложной оказалась задача моделирования крупномасштабной структуры, поскольку студентам предлагалось написать код моделирования с нуля, самостоятельно. По словам одного из участников, концептуально все предельно просто — задача состояла из двух уравнений — а сложность состояла в том, как перевести эти уравнения на язык, понятный компьютеру. Для того, чтобы понять, как на Питоне задается двумерная или трехмерная сетка для вычислений, многим пришлось поломать голову.
Сергей Пилипенко
Если правильно задать начальные возмущения плотности и скорости материи в ранней Вселенной, со временем материя собирается в “стенки”, между которыми расположены “пустоты”. Результат моделирования, полученный участником школы В. Черносовым.
Данные, собранные многочисленными экспериментами (WMAP, Planck,etc.), удобно анализировать при помощи специального программного обеспечения HEALPix и, в частности, пакетом healpy, разработанным специально для языка Python.
После введения, включавшего базовые манипуляции с картами реликтового излучения (смену режимов пикселизации, выбор индексов элементов массивов в кругу определенного радиуса, вращение карты), мы перешли к постройке спектров мощности и тонкостям разложения карты реликта по базису сферических функций.
Немного внимания было уделено алгоритмам отделения фоновых компонент от искомого сигнала (Internal Linear Combination vs. constrained ILC) при измерении частотного спектра реликта, а также некоторым способам генерации модельных фоновых компонент (пакет pysm).
“Хоть тема и отличалась узкой специализацией, было приятно увидеть интерес у большего числа студентов, чем я рассчитывал, особенно если учесть блуждающий и несистематичный подход в изложении, который был выбран мной.
Тем не менее работа со студентами проводилась на индивидуальном уровне, возникающие проблемы решались по мере поступления, а студенты, быстро разобравшиеся в материале, получили возможность поработать над задачами, которые требовали времени и внимания.”
Артём Михальченко
Понимание и умение устранять численные ошибки являются фундаментальными навыками во многих научных и инженерных областях, включая космологию и астрофизику. Например, численные ошибки могут исказить результаты симуляций и вычислений. Это может привести к неверным выводам и недостоверным данным – или вообще спутать численный эффект с реальным физическим процессом. С другой стороны, ошибки могут привести к необходимости использовать более мощные вычислительные ресурсы или увеличить время выполнения задачи. Эффективное управление ошибками позволяет сэкономить ресурсы и временные затраты.
В ходе нашего занятия мы разбирались с тем, как различные виды численных ошибок могут влиять на результаты симуляций. Студенты имели возможность ознакомиться с практическими примерами и случаями из реальных исследований, где эти ошибки могут играть существенную роль.
Численная ошибка в ±20 порядков, возникающая при округлении результата вычитания близких по значению чисел
“Во время практикума я разрешил студентам пользоваться чем угодно, переговариваться, а также выходить из аудитории и заходить в любой момент – и, честно говоря, я ожидал, что многим задание покажется скучноватым и что до конца досидит в лучшем случае половина студентов. Каково было мое удивление, когда выяснилось, что студенты не только боролись до конца (и у кого-то даже получилось), но кто-то даже решил пропустить обед (!!!), чтобы посидеть над задачкой подольше. ”
Максим Ткачёв
Чтобы вся вторая неделя не принадлежала только космологии и практике по численным ошибкам мы решили добавить курс лекций по физике пыли и её наблюдательным проявлениям. В инфракрасном диапазоне она является доминирующим источником излучения и наблюдается во множестве объектов. Различные механизмы нагрева, различная физика разрушения пылинок, особенности в поглощении и излучении квантов пылью – всё это даёт большой материал для изучения студентам. Всё в деталях, к сожалению, нельзя уместить в рамках 4-5 лекций, но основные важные аспекты этой науки были собраны в курс, который был прочитан в рамках нашей Летней школы по астрофизике. Практическая часть, из-за богатства теоретического материала, была немного вторична, но обучающиеся познакомились с некоторыми подходами моделирования эмиссионных спектров нагретой пыли, характерной для внутренних областей галактик и остатками сверхновых.
“Студенты, в среднем, мне понравились. Как и в любом обществе их интерес и внимательность к лекции и практическим занятиям был не однороден. Кто-то очень внимательно следил за ходом лекции и задавал каверзные вопросы, кто-то думал о чём-то своём. Но большая часть, я считаю, усвоила основной материал моего мини-курса. Искренне надеюсь, что кого-нибудь эта наука обязательно заинтересует и он выберет это перспективное и любопытное направление в современной астрофизике.”
Сергей Дроздов
Вот так выглядело расписание Школы. А по ссылкам можно найти презентации.
лекции | |
практические занятия | организованный досуг |
Первая неделя (14 - 18 августа 2023)
|
Пн |
Вт |
Ср |
Чт |
Пт |
09:30 - 11:00 |
Бескин Василий Семёнович Открытые вопросы физики релятивистских джетов |
Лисаков Михаил |
Плавин Александр |
Решение задач |
|
11:30 - 13:00 |
Плавин Александр |
Плавин Александр Практикум |
Тюльбашев Сергей Анатольевич Экскурсия по Обсерватории |
||
Обед |
|||||
14:30 - 16:00 |
Лисаков Михаил |
Плавин Александр |
Лисаков Михаил Практикум |
Плавин Александр Практикум |
Зобнина Дарья Исследование магнитного поля активных ядер галактик с помощью поляризации |
16:30 - 18:00 |
Лисаков Михаил Преобразование Фурье |
Кравченко Евгения Картографирование и моделирование джетов в Difmap |
Зобнина Дарья |
Вторая неделя (21 - 25 августа 2023)
|
Пн |
Вт |
Ср |
Чт |
Пт |
09:30 - 11:00 |
Михальченко Артём / Пилипенко Сергей |
Ткачёв Максим Типы численных ошибок в астрофизических задачах |
Дроздов Сергей |
Пилипенко Сергей |
Пилипенко Сергей Моделирование фоновых источников излучения Стратегии составления обзоров неба на астрофизических телескопах |
11:30 - 13:00 |
Ткачёв Максим Практикум |
Пилипенко Сергей Создание и использование модельных каталогов галактик |
Пилипенко Сергей Язык программирования Julia в астрофизических задачах |
||
Обед |
|||||
14:30 - 16:00 |
Михальченко Артём Практикум Работа с картами CMB, пакет healpy |
Дроздов Сергей |
Пилипенко Сергей |
Пилипенко Сергей Оценки чувствительности инструментов Планирование наблюдений на Миллиметроне и других субмиллиметровых обсерваториях |
|
16:30 - 18:00 |
Такая у нас получилась насыщенная и интересная Школа. Как обычно, мы собрали анонимные отзывы от студентов, которые помогут нам сделать следующую Школу ещё лучше. А пока их просто приятно почитать.
Анонимные отзывы студентов о Школе: