Живое небо «Ферми»

Cаморецензия на видеоролик youtube.com/watch?v=WU__lpBkLJc

В августе прошлого года исполнилось десять лет рабочего режима космической гамма-обсерватории «Ферми». Этому юбилею были посвящены две статьи в ТрВ-Наука1. Сейчас публикую третью заметку вдогонку, поскольку появился повод — визуализация десятилетних данных.

В свое время я сделал слайд в презентации про черные дыры, где использовался файл в формате MPEG — проигрывался прилет гамма-квантов на некотором куске неба. Это было интересно — вспыхивал яркий блазар, пролетало Солнце, которое тоже излучает гамма-кванты, но это не было красиво. У меня попросту нет никакого опыта в изготовлении мультиков из данных, поэтому на одной из лекций я обратился к аудитории с просьбой о помощи — дескать, нужен волонтер, который помог бы сделать качественный ролик с гамма-квантами. Видео с моим докладом посмотрело 40 с чем-то тысяч человек, и волонтер нашелся. Его зовут Гарсалан Челахсаев, он живет во Владикавказе. Больше я не знаю про него ничего. Ну, кроме того, что он очень быстро и четко управляется с большими массивами данных, нарезает их нужным образом и заправляет их в видео. Вместе мы сделали ролик, простой до безобразия — каждый прилетевший гамма-квант — точка на кадре, кадр — шесть дней, смещение во времени от кадра к кадру — два дня. Таким образом, десять лет укладываются в 76 секунд фильма. На экране всё небо, оно уложено в эллипс с использованием проекции Аитоффа — Хаммера. Изображены все гамма-кванты энергии выше 300 МэВ. Более мягких фотонов много, но ниже 300 МэВ слишком плохое угловое разрешение, этот порог выбран как своего рода компромисс. Всего в ролике участвуют несколько сот миллионов (под миллиард) гамма-квантов.

Почему команда «Ферми» не сделала такого ролика? Нечто подобное было, но в сглаженном и укороченном варианте. Там интенсивность потока гамма-квантов была показана цветом, где-то небо разбито на пиксели, где-то интенсивность интерполирована гладкими контурами (ниже даны ссылки на некоторые интересные ролики NASA). Но всё это — потеря информации. Лично я всегда предпочитаю смотреть на сырые данные. Мозг обрабатывает их лучше примитивных программ сглаживания. Еще одна проблема, с которой я столкнулся при подготовке данных, — неравномерность экспозиции. Эффективный угол зрения «Ферми» — около двух радиан, телескоп сканирует небо, но он летает на низкой околоземной орбите, где часть обзора заслоняет Земля, где время от времени спутник проходит через Южно-Атлантическую магнитную аномалию и телескоп приходится выключать. Неравномерную экспозицию можно побороть: там, где она ниже средней, можно добавить искусственных гамма-квантов, коррелированных с настоящими. Там, где экспозиция выше средней, можно было бы случайным образом выкинуть часть фотонов. Было больше эстетики, но меньше информации — лишний шум. Поэтому мы предпочли представить данные как есть. В результате по полю зрения пробегают волны яркости, по-моему, они не слишком мешают.

Что интересного есть в ролике? Самая яркая постоянная деталь — Млечный Путь (использованы галактические координаты, поэтому он идет по центру кадра). На Млечном Пути выделяются гамма-пульсары: Краб, Геминга, Vela X и другие. По кадру пролетает Солнце — по синусоиде, так выглядит его путь по небу в галактических координатах. Солнце тоже излучает гамма-кванты из-за своей нетепловой активности. Прекрасно видны его вспышки. Самая яркая (апрель 2012 года) видна на 1:04 (внизу слева), она же в более крупном масштабе — на 1:55 (снизу).

Самое же интересное в ролике — блазары2. Это квазары, которые смотрят своими струями (джетами) прямо на нас — мы попадаем как бы в луч прожектора. Ролик воочию демонстрирует, насколько же они переменные! Это гораздо труднее представить себе, рассматривая кривые блеска отдельных блазаров. Здесь они мигают все вместе, поочередно достигая максимума. Оказалось, что ролик полезен для серьезной работы. Раньше мы исследовали спектры нескольких ярчайших блазаров на предмет признаков фотон-фотонного поглощения (и нашли таковые). Теперь видно, что мы упустили несколько интересных вспышек объектов, которые ускользнули от нашего внимания.

Чего нет в ролике? Во-первых, здесь не видны пузыри «Ферми». Чтобы их увидеть, надо установить гораздо более высокий порог по энергии — не 300 МэВ, а 10 ГэВ, — тогда они проявятся, поскольку их спектр довольно жесткий. Но тогда будет маловато фотонов для видео, поэтому лучше показывать их на статическом снимке3. Во-вторых, в ролике не видны гамма-всплески. Вернее, видны, но не выделяются, поэтому их трудно уловить (хотя зритель может попытаться). В будущем можно попробовать выделить фотоны от гамма-всплесков цветом.

В заключение хотелось бы поблагодарить моего добровольного помощника Гарсалана Челахсаева — без него этот ролик вряд ли бы появился. И, конечно, в который раз надо поблагодарить NASA за открытые данные.

Борис Штерн

Аналогичные ролики NASA, которые удалось найти:

svs.gsfc.nasa.gov/10407
youtube.com/watch?v=0RExg9Wzp5s
svs.gsfc.nasa.gov/11545
svs.gsfc.nasa.gov/10819

1 Десять лет гамма-телескопу «Ферми». № 259 (31 июля) и № 260 (14 августа 2018 года).
2 См. trv-science.ru/2018/08/14/10-let-fermi‑2/
3 Как это сделано здесь — trv-science.ru/2018/07/31/10-let-fermi‑1/