Есть ли в космосе звук? Распространяется ли звук в космосе
Космос — это не однородное ничто. Между различными объектами есть облака газа и пыли. Они являются остатками после взрыва сверхновых и местом для формирования звезд. В некоторых областях этот межзвездный газ достаточно плотный, чтобы распространять звуковые волны, но они не восприимчивы для человеческого слуха.
Есть ли в космосе звук?
Когда объект движется — будь то вибрация гитарной струны или взрывающийся фейерверк — он воздействует на близлежащие молекулы воздуха, как бы толкая их. Эти молекулы врезаются в своих соседей, а те, в свою очередь, в следующие. Движение распространяется по воздуху подобно волне. Когда она достигает уха, человек воспринимает ее как звук.
Когда звуковая волна проходит сквозь воздушное пространство, его давление колеблется вверх и вниз, словно морская вода в шторм. Время между этими вибрациями называется частотой звука и измеряется в герцах (1 Гц — это одна осцилляция в секунду). Расстояние между пиками наивысшего давления называется длиной волны.
Звук может распространяться только в среде, в которой длина волны не больше среднего расстояния между частицами. Физики называют это «условно свободной дорогой» — среднее расстояние, которое молекула проходит после столкновения с одной и перед взаимодействием со следующей. Таким образом, плотная среда может передавать звуки с короткой длиной волны и наоборот.
Звуки с длинными волнами имеют частоты, которые ухо воспринимает как низкие тона. В газе со средней длиной свободного пробега, превышающей 17 м (20 Гц), звуковые волны будут слишком низкочастотными, чтобы человек смог их воспринять. Они называются инфразвуками. Если бы существовали инопланетяне с ушами, воспринимающими очень низкие ноты, они бы точно знали, слышны ли звуки в открытом космосе.
Песнь черной дыры
На расстоянии около 220 миллионов световых лет, в центре кластера из тысяч галактик, сверхмассивная черная дыра напевает самую низкую ноту, которую когда-либо слышала вселенная. На 57 октав ниже средней «до», что примерно на миллион миллиардов раз глубже, чем звук той частоты, которую человек может услышать.
Самый глубокий звук, который возможно уловить людям, имеет цикл около одного колебания каждые 1/20 секунды. У черной дыры в созвездии Персея цикл составляет около одного колебания каждые 10 миллионов лет.
Это стало известно в 2003 году, когда космический телескоп NASA «Чандра» обнаружил нечто в газе, заполняющем кластер Персея: концентрированные кольца света и темноты, похожие на рябь в пруду. Астрофизики говорят, что это следы невероятно низкочастотных звуковых волн. Более яркие — это вершины волн, где наибольшее давление на газ. Кольца темнее — это впадины, где давление ниже.
Звук, который можно увидеть
Горячий, намагниченный газ вращается вокруг черной дыры, похожий на воду, циркулирующую вокруг слива. Двигаясь, он создает мощное электромагнитное поле. Достаточно сильное, чтобы ускорить газ возле края черной дыры практически до скорости света, превращая его в огромные всплески, называемые релятивистскими струями. Они вынуждают газ повернуть на своем пути в сторону, и это воздействие вызывает жуткие звуки из космоса.
Они переносятся через кластер Персея в течение сотен тысяч световых лет от своего источника, но звук может путешествовать только до тех пор, пока достаточно газа для его перевозки. Поэтому он останавливается на краю газового облака, заполняющего скопление галактик Персея. Это значит, что невозможно услышать его звук на Земле. Можно увидеть только влияние на газовое облако. Это выглядит так, как если смотреть через пространство на звукоизолированную камеру.
Странная планета
Наша планета издает глубокий стон каждый раз, когда двигается ее кора. Тогда не остается сомнений: распространяются ли звуки в космосе. Землетрясение может создавать вибрации в атмосфере с частотой от одного до пяти Гц. Если оно достаточно сильное, то может посылать инфразвуковые волны через атмосферу в открытый космос.
Конечно, нет четкой границы, где атмосфера Земли заканчивается и начинается космос. Воздух просто постепенно становится тоньше, пока в конце концов не исчезает вовсе. От 80 до 550 километров над поверхностью Земли длина свободного пробега молекулы составляет около километра. Это означает, что воздух на этой высоте примерно в 59 раз тоньше такого, при котором была бы возможность слышать звук. Он способен лишь переносить длинные инфразвуковые волны.
Когда в марте 2011 года землетрясение магнитудой 9.0 потрясло северо-восточное побережье Японии, сейсмографы во всем мире зафиксировали, как его волны проходили сквозь Землю, а вибрации вызывали низкочастотные колебания в атмосфере. Эти вибрации прошли весь путь до того места, где корабль Европейского космического агентства (Gravity Field) и стационарный спутник Ocean Circulation Explorer (GOCE) сравнивает гравитацию Земли на низкой орбите с отметкой 270 километров над поверхностью. И спутнику удалось записать эти звуковые волны.
GOCE обладает очень чувствительными акселерометрами на борту, которые управляют ионным двигателем. Это помогает поддерживать спутник на стабильной орбите. 11 марта 2011 года акселерометры GOCE обнаружили вертикальное смещение в очень тонкой атмосфере вокруг спутника, а также волнообразные сдвиги в давлении воздуха, в момент распространения звуковых волн от землетрясения. Двигатели спутника скорректировали смещение и сохранили данные, которые стали подобием записи инфразвука землетрясения.
Эта запись была засекречена в данных о спутнике до тех пор, пока группа ученых, возглавляемая Рафаэлем Ф. Гарсией, не опубликовала этот документ.
Первый звук во вселенной
Если бы была возможность вернуться в прошлое, примерно в первые 760 000 лет после Большого Взрыва, можно было бы узнать, есть ли в космосе звук. В это время Вселенная была настолько плотной, что звуковые волны могли свободно распространяться.
Примерно тогда же первые фотоны начинали путешествовать в космосе в качестве света. После всё наконец охладилось настолько, чтобы субатомные частицы конденсировались в атомы. До того, как произошло охлаждение, Вселенная была заполнена заряженными частицами — протонами и электронами — которые поглощали или рассеивали фотоны, частицы, составляющие свет.
Сегодня он достигает Земли как слабое свечение микроволнового фона, видимое только очень чувствительными радиотелескопами. Физики называют это реликтовым излучением. Это самый старый свет во вселенной. Он отвечает на вопрос, есть ли звук в космосе. Реликтовое излучение содержит запись древнейшей музыки вселенной.
Свет в помощь
Как свет помогает узнать, есть ли звук в космосе? Звуковые волны проходят сквозь воздух (или межзвездный газ) как колебания давления. Когда газ сжимается, становится жарче. В космических масштабах это явление настолько интенсивно, что образуются звезды. А когда газ расширяется, он остывает. Звуковые волны, распространяющиеся по ранней вселенной, вызывали слабые колебания давления в газовой среде, что, в свою очередь, оставляло слабые сбои температуры, отраженные в космическом микроволновом фоне.
Используя температурные изменения, физику Университета Вашингтона Джону Крамеру удалось восстановить эти жуткие звуки из космоса — музыку расширяющейся вселенной. Он умножил частоту в 10 26 раз, чтобы человеческие уши смогли его услышать.
Так что никто действительно не услышит крика в космосе, но останутся звуковые волны, движущиеся сквозь облака межзвездного газа либо в разреженных лучах внешней атмосферы Земли.
Источник
Как НАСА записывает звук, если звук не распространяется в космосе?
НАСА зарегистрировало волны магнитного и электрического поля, связанные с космическими событиями, и перевело эти данные в слышимый человеком диапазон.
Есть бесчисленные вопросы о космосе, которые преследовали ученых на протяжении веков. Чтобы ответить на некоторые из них, мы послали орбитальные аппараты, космические корабли, а иногда даже людей, чтобы собрать образцы и сделать наблюдения, но как вы изучаете то, что не видите?
Люди, естественно, способны слышать и видеть только в определенных конкретных частотах и длинах волн. Однако в космосе множество волн, которые находятся за пределами нашего узкого восприятия, так как же мы их изучаем?
Мы переводим, переделываем и адаптируем их в соответствии с нашими потребностями, чтобы мы могли наблюдать и анализировать их. Науку просто невозможно остановить!
Почему звук не может путешествовать в космосе?
Звуковые волны — это не что иное, как колебания воздуха. Когда эти вибрации находятся в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц, мы можем их услышать!
Звуковые волны в основном распространяются путем вибрации частиц в среде, т. е. молекул воздуха. Эти колебания передаются последовательным частицам в среде, что означает, что звуковые волны не могут перемещаться без среды. Причина, по которой мы не можем слышать звук в пространстве, обычно связана с отсутствием такой среды.
Мы можем утверждать, что в космосе есть облака газов, которые могут действовать как среды, но газы не присутствуют равномерно по всему пространству. Кроме того, газы обычно менее плотны в космосе, что означает, что между частицами слишком большие расстояния, поэтому вибрации не могут эффективно распространяться.
Проще говоря, звук не может путешествовать в космосе.
Как ученые слышат звуки Вселенной?
Начнем с того, что ученые фактически не могут «слышать» космические звуки, но у них есть средства для изучения космических волн, преобразуя их в звуковые волны.
«Сонификация» — это преобразование любых не слуховых данных в звук и аналогично визуализации данных.
Метод преобразования называется Сонификации, если он соответствует определенным критериям:
- Воспроизводимость, т. е. Важные элементы данных остаются неизменными, независимо от условий, при которых проводится Сонификация.
- Данные должны обрабатываться ультразвуком таким образом, чтобы их могли различить даже неподготовленные слушатели.
Космос полно радиоволн, плазменных волн, магнитных волн, гравитационных волн и ударных волн, которые могут путешествовать в космосе без среды. Эти волны регистрируются приборами, которые могут воспринимать эти волны, и данные передаются на наземные станции, где волны кодируются звуком.
Любой слышимый звук имеет такие переменные, как частота, амплитуда и ритм. Различные пространственные волны согласуются с различными свойствами звука (частотой, амплитудой и т. д.) в разных пропорциях, чтобы получить звук.
НАСА имеет прибор под названием EMFISIS (Electrical and Magnetic Field Instrument Suite and Integrated Science), подключенный к двум спутникам Van Allen Probes, зондовый космический аппарат, который измеряет магнитные и электрические помехи, когда они окружают Землю. Есть три электрических датчика, которые измеряют электрические возмущения и три магнетрона, которые измеряют колебания в магнитных полях. Некоторые из электромагнитных волн лежат в диапазоне слышимых частот, который служит для ученых основой для перевода оставшихся записанных частот в слышимый диапазон для интерпретации данных. Эти знания о волнах и их тонах помогают нам понять схему, которой они следуют. Кроме того, это только волны, которые находятся вблизи атмосферы Земли.
Хотя научное сообщество уже давно бурлит вопросами, связанными с Солнцем и его недрами, мы также знаем, что ни один спутник или космический аппарат не может долететь до Солнца, не сгорев. Научное наблюдение за солнцем также практически невозможно из-за его яркости. Это оставляет нам возможность наблюдать полевые волны, которые окружают солнце, и естественные вибрации, которые возникают от солнца.
Поверхность солнца является конвективной из-за звуковых волн очень низкой амплитуды. НАСА создало солнечные звуки из данных, собранных в течение 40 дней с помощью гелиосферной обсерватории (SOHO) Michelson Doppler Imager (MDI). Эти данные были обработаны следующим образом:
- Данные о допплеровской скорости, полученные из MDI (доплеровского тепловизора Майкельсона), были усреднены по солнечному диску Солнца.
- Обработка проводилась таким образом, чтобы устранить эффекты движения космического аппарата и паразитные шумы.
- Затем был использован фильтр для выбора чистых звуковых волн.
- Наконец, данные были интерполированы, так что все недостающие места были покрыты.
- Затем данные были масштабированы для соответствия диапазону слышимых частот.
Это всего лишь один метод, принятый учеными для изучения звуков космоса. Есть также датчики, которые измеряют электрическую активность пыли, когда комета проходит мимо космического корабля!
«Гигантские прыжки» — это мелодия, составленная НАСА, которая описывает объем научной активности, связанной с Луной. Каждый звук в музыке существует благодаря данным, которые мы получили. Чем выше шаг в данном разделе, тем больше научных публикаций за этот период.
Да, и космические волны далеки от того, что вы обычно слышите в кино. Не ждите грохота и свиста. Космические волны больше похожи на сирены и свистки!
Насколько полезны звуки космоса?
Десятки космических звуков прошли через процесс сонификации. Слуховая система человека уникальна в том смысле, что она может идентифицировать паттерны, поэтому мы распознаем, является ли определенный тон повторяющимся или нет. Эта возможность была использована учеными для разделения и идентификации данных.
Если вы посмотрите на набор данных и расшифруете его, было бы более разумно, если бы вы могли его услышать, а не анализировать экран всплесков или диаграмму. Вот почему Сонификация стала популярным методом анализа космических явлений.
Роберт Александр, специалист по ультразвуковой обработке в Исследовательской группе по солнечной и гелиосферной среде в Университете Мичигана, во время изучения солнечных данных услышал гул, частота которого соответствовала периоду вращения Солнца. Этот звук подразумевал, что он, вероятно, будет периодическим. Это помогло ему сделать вывод, что существуют как быстрые, так и медленные солнечные ветры, которые периодически обрушиваются на землю.
Это только один пример; сонификация также показала, что юпитерианская молния существует. Это помогло исследовать ударные волны, которые формируются, когда магнитное поле планеты препятствует солнечному ветру, и многое другое!
Ученые превратили эти звуки в музыку, применив цифровые технологии.
Эта практика сонификации была использована для инновационного сотрудничества между Европейской южной обсерваторией (ESO) стипендиатом Крисом Харрисоном и слабовидящим астрономом Университета Портсмута доктором Николасом Бонном. Доктор Бонн создал мюзикл, в котором он дал осязаемые формы звездам и черным дырам. Он и его команда переосмыслили звезды, связав громкость звука с яркостью звезды, тон с цветом звезды и так далее.
Это шоу было в основном попыткой открыть чудесный космический мир для аудитории, которая может иметь проблемы со зрением, учитывая, что астрономия в значительной степени связана со зрением и наблюдением.
Наука всегда была многомерной, и человеческое любопытство привело к некоторым поистине удивительным открытиям. Изучение пространства посредством сонификации — это один из таких прорывов, который дал нам силы и позволил заглянуть в глубины космоса, даже несмотря на то, что нам не хватает способности «смотреть» на вселенную.
Источник