• О Физтехе
• Образование
• Наука и инновации
• Новости науки

Отчёт о Летней Астрофизической Школе в ПРАО, 2022

Подобно тому как тренированное тело требует физических нагрузок, тренированные мозги не могут долго сидеть без дела. Этот рассказ не стоило начинать с такой фразы, если бы не одно обстоятельство: когда весной 2022 года Юрий Ковалев подумал вслух, что неплохо бы сделать летнюю школу по астрофизике для студентов ФизТеха, через неделю было уже 12 желающих на эту школу попасть.
А раз так, решили мы давайте сделаем её запоминающейся и полезной.

Какое место лучше всего подходит для проведения астрофизической школы? Конечно, обсерватория. А лучшие обсерватории (по мнению авторов этой заметки) - это радиообсерватории. Поэтому в этом году мы отправились в Пущинскую радиоастрономическую обсерваторию (ПРАО).

Мы подумали, что правильная летняя школа должна быть, во-первых, интересной, чтобы не возникало проблем с мотивацией. А во-вторых, не слишком интенсивной, потому что она же всё-таки летняя. И мы намеренно сделали упор на практические занятия, чтобы показать, какие проблемы решают радиоастрономы-наблюдатели и какие новые интересные задачи стоят перед учеными.

Фактически жизнь многих учёных-наблюдателей состоит из разного рода оценок. Мы что-то там на небе видим, а дальше возникают вопросы:

• Реальное это событие или нет? (Вероятность истинного или ложного обнаружения - это ошибки первого и второго рода в статистике).
• Какие у этого события особенности? (Всякие косвенные факторы, например, если источник виден всегда по одному и тому же звёздному времени, значит, событие реальное).
• Каковы физические характеристики события? (Плотность потока, поляризация, длительность процесса и т.д.)

Самое приятное и самое ужасное для наблюдателя - это получение результатов, которые противоречат чему-то общепринятому или открывают новое, ранее не предсказанное явление. В этом случае спасает лишь одно - скрупулезное выписывание методики, для того чтобы результаты могли повторить другие люди, ведь только после этого может наступить признание. Например, после открытия Лоримером быстрых радиовсплесков (Fast Radio Burst, FRB), два или три года было полное молчание мирового научного сообщества. Открытие было случайным, никто не понимал, что это такое, и никто не мог обнаружить такие же объекты. А ведь Лоример - эксперт высочайшего уровня, на его работы было около 25000 ссылок. А после открытия FRB - тишина… Зато сейчас - это самая цитируемая его работа (более 1100 ссылок).

В основе всего лежит Его Величество Эксперимент. На физических практикумах студентов приучают к пониманию того, как из очень простых экспериментов можно получить глубокие физические знания. Но есть принципиальная разница между физическим практикумом и реальным экспериментом, проводящимся впервые. На физпраке вы всегда знаете правильный ответ, который требуется получить. А если вы придумали новую научную задачу, то вы (может, опустить?) ответа заранее не знаете. И если у вас нет глубокого понимания того, как работает Эксперимент, вы не можете быть уверены в полученных результатах и публикуемых числах, а значит, грош цена такому эксперименту и таким результатам. Но ставя новую задачу, нужно не только хорошо знать “матчасть”, нужно предусмотреть все “мели” и двигаться вперёд, проверяя на ощупь каждую из них. Познакомить студентов с этой работой, дать им возможность сделать свои первые шаги на пути, ведущем в большую науку - это и есть цель нашего практикума.

(Сергей Тюльбашев, директор ПРАО)

Летняя астрофизическая школа 2022 проходила с 11 по 22 июля. (Кстати, мы собираемся провести школу и в следующем году, но крутого официального названия для школы пока не придумали). Мы разделили эти две недели пополам (условно) между пульсарами и транзиентами в первую неделю и активными ядрами галактик и черным дырам во вторую.

Вот такое было расписание:

Пульсары и радиотранзиенты - основные направления исследований ПРАО. Поэтому не составило труда найти специалистов мирового класса для ведения лекций и практических занятий. В этом году со студентами работали Сергей Тюльбашев, Владимир Потапов, Сергей Копейкин и Елена Брылякова. На лекциях первой недели рассматривались как классические вопросы, связанные с пульсарами: их поиск, тайминг, использование для проверки ОТО, так и более свежие загадки Вселенной, например, быстрые радиовсплески (FRB). Эти явления были открыты всего 15 лет назад. Их природа до сих пор непонятна, только недавно количество реальных наблюдений превысило количество объясняющих их моделей. Это одно из самых быстроразвивающихся направлений в радиоастрономии, и очень важно, чтобы студенты были в курсе новейших открытий.

Конечно, на первой неделе были и практические задания, например, определение параметров антенной решетки БСА - одного из основных телескопов ПРАО. Вот что из себя представляла эта задача:

Задача по оценке физических параметров антенны по своей сути проста. Антенна БСА ФИАН имеет большие размеры и высокую чувствительность. Каждый день на ней наблюдается масса источников. Отождествив источник, можно найти в разных каталогах его плотность потока на разных частотах, и пересчитать плотность потока на частоту наблюдений БСА. В результате мы будем иметь источник, записанный на регистраторе в неких условных единицах, связанных с измерением милливольт входных сигналов, и реальную плотность потока этого источника в янских. Таким образом, можно оценить, какие самые слабые источники можно увидеть на нашей антенне. А следовательно, оценить флуктуационную чувствительность радиотелескопа, и из неё, по формуле радиометрического выигрыша, эффективную площадь антенны.

Решение этой задачи находится на уровне, чуть более сложном, чем школьный. Я уже и не помню, в каком классе объявляют, что вот такая-то штука называется “дискриминант”, и если вы научитесь его вычислять, то будет у вас счастье при решении квадратных уравнений. Вот и наша задача по оценке флуктуационной чувствительности и эффективной площади антенны имеет такую же базовую ценность для работы с экспериментальными данными. Сейчас, когда студенты, прошедшие практику, уже знают, как решать эту задачу, выпишу сюда вопросы, которые нужно задать себе при её решении.

Постановка задачи:

Даны наблюдения, полученные на антенне БСА ФИАН. Старт записи наблюдений по московскому времени, запись часовой длины, одновременно записаны 48 лучей. Требуется найти флуктуационную чувствительность и эффективную площадь антенны.

Вопросы, которые нужно задать при решении этой задачи:

1. Пересчёт координат из московского времени в звёздное. (Имейте в виду, что антенна стоит под наклоном, и переход источника через меридиан смещается в зависимости от его склонения);
2. Что есть источник в записи? (Т.е. вот этот горб - это источник, этот - перепад, связанный с прохождением луча антенны через плоскость Галактики, а тот - помеха от молнии).
3. С какой точностью определяется флуктуационная чувствительность? (БСА чувствительная антенна, в диаграмму направленности попадает много источников, и есть два эффекта путаницы, которые нужно учитывать).
4. Кто вам сказал, как измерять плотность потока источника из спектра? (Я знаю, что это был я, но почему вы мне верите? На самом деле, система калибровки по источникам не автоматизирована, несмотря на то, что антенне БСА почти 50 лет. Это очевидным образом говорит о проблемах при калибровке
5. Как работать с ионосферой, которая смещает лучи БСА каждый день в разные стороны?
6. Кто вам сказал, что табличные значения направлений лучей правильные?
7. В каких пределах по прямому восхождению и склонению нужно искать выбранный источник в других каталогах?
8. Как корректно сделать поправки, учитывающие, что БСА - это антенная решетка?
9. Я дал формулу по оценке флуктуационной чувствительности, но кто сказал, что она правильная???
10. И ещё многие другие…

Теперь, с учётом всех этих вопросов, попробуйте решить задачу?
Замечу, что в дополнение к полному счастью, никакой программы просмотра наблюдений у вас нет… Вам нужно либо её написать, либо раздобыть готовую, и разобраться, как с ней работать.
(Сергей Тюльбашев, директор ПРАО)

Вторая неделя была посвящена активным ядрам галактик, черным дырам и радиоинтерферометрии. В то время как одиночные радиотелескопы, хоть даже самые большие, диаметром в полкилометра, проигрывают в угловом разрешении любому биноклю, радиоинтерферометрия со сверхдлинными базами (РСДБ) позволяет, наоборот, достигать наилучшего углового разрешения. Например, такие выдающиеся проекты как РадиоАстрон и Телескоп Горизонта Событий способны рассмотреть в деталях волосы у космонавтов на МКС. Вы хотите специалистов по РСДБ - их есть у нас. Михаил Лисаков и Илья Пащенко читали лекции и проводили практические занятия на второй неделе.

Чтобы получить изображение с помощью интерферометра, приходится немало повозиться. В отличие от фотографии или наблюдений с помощью оптических телескопов интерферометры работают в области пространственных частот — двумерных фурье-образов изображений. И для перехода от измерений интерферометров к изображениям используются хитрые и не очень математические методы. Сейчас в связи с успехами EHT эта область математики быстро развивается. Если пять лет назад у нас было полтора рабочих метода построения РСДБ изображений, то сейчас — шесть.

Это поначалу звучит пугающе. Но результат стоит того, например, мы можем рассмотреть области ускорения ультрарелятивистских выбросов вещества или тень от черной дыры в центре нашей Галактики. Чтобы сгладить шок от перехода в пространство фурье образов, мы специально включили в программу практические занятия на выработку интуиции в фурье преобразованиях. А потом мы применяли эту интуицию и набирались опыта, когда строили изображения симулированных источников. По моему опыту могу сказать, что нам удалось сделать практическую часть более доступной и эффективной, чем на любой другой школе, в которой я участвовал сам: 100% студентов смогли установить все необходимые программы и активно и самостоятельно выполняли задания. Такого я раньше никогда не встречал. Мы молодцы.

(Михаил Лисаков, снс АКЦ ФИАН)

Лекции на второй неделе также преследовали две цели: дать полноценный обзор современного состояния исследований активных ядер галактик, уделив особое внимание передовым открытиям последних лет, а также показать, в рамках каких предположений мы работаем и как получить информацию о природе наблюдаемых объектов из реальных наблюдений. Илья Пащенко прочитал лекции о синхротронном излучении, модели релятивистской струи и как мы можем симулировать наблюдения для того чтобы проверять наши теории и алгоритмы получения изображений.

Это, между прочим, активно используется в проекте EHT: полученные реальные изображения сравниваются с базой данных из более 60 тысяч симулированных. Именно так удалось ограничить область поиска параметров и узнать, например, спины черных дыр в M87* и SgrA* и их режимы аккреции.

(Михаил Лисаков, снс АКЦ ФИАН)

Практические занятия второй недели были построены так, чтобы полученные теоретические знания можно было сразу же применить на практике. В этот раз было предложено три задачи: определение скорости релятивистского движения вещества струй в радиогалактиках (по отношению яркости джетов и контр-джетов) и квазарах (по кинематике сверхрелятивистского видимого движения), а также измерение магнитного поля в окрестностях черных дыр. И, конечно, мы попробовали построить изображение черной дыры.

Это был трехдневный супермарафон. Я специально выбрал такие задачи, которые можно было решить, используя открытые базы данных реальных наблюдений. Никаких специально подготовленных датасетов, только хардкор. Я и сам не всегда знал, какой должен получиться ответ. И получилось невероятно интересно. Во-первых, студенты 1-2-3 курсов самостоятельно решали задачи реального научного мира: какие предположения и упрощения можно использовать, где достать данные наблюдений и некоторые параметры наблюдаемых источников.

За два дня они фактически прошли путь, который в обычных условиях может занимать и месяц, и год. Во-вторых, похоже, реальность задач и понимание потенциального научного выхода действовали мотивирующе. Мы расходились в 8 вечера, а утром уже обсуждали новые результаты. И результатов было более десятка. Это было напряженно и здорово.

В-третьих, у студентов был выбор формата работы: некоторые объединились в группы, остальные работали поодиночке. Оба формата оказались продуктивными, но все таки коллаборация из трех человек была единственной, кто смог завершить аж две задачи из трех. Умение эффективно организовать совместную работу - это тоже очень полезный в науке навык. В целом, я горжусь тем, как участники школы решали задачи, и с удовольствием бы продолжил работу со многими из них.

(Михаил Лисаков, снс АКЦ ФИАН)

---

Результаты, полученные студентами. Слева направо: модели релятивистского джета квазара 3C 273 на разных частотах, изображение тени сверхмассивной чёрной дыры в центре галактики M87 и изображение двустороннего джета в радиогалактике Cygnus A.

---

Помимо лекций и занятий были и другие активности. В воскресенье мы воспользовались хорошей погодой и устроили шашлыки на берегу Оки. А ещё Сергей Тюльбашев в два захода провел экскурсию по обсерватории. У каждого была возможность залезть внутрь телескопа и узнать, как корабельные пушки связаны с радиоастрономией, сколько тракторов нужно, чтобы на санках перевезти радиотелескоп, и как в обсерватории снимали фильм про пришельцев.

Думаю, эту школу можно считать успешной, и стоит проводить ее регулярно и в будущем. Почему бы, например, в следующем году не построить любительский радиотелескоп…

(Михаил Лисаков, снс АКЦ ФИАН)

Рад, что удалось пообщаться с умными и приятными ребятами. Рад увиденному блеску в глазах и проявленному интересу. Рад, что в ваших отчётах были видны мысли, которые каждый выражал самостоятельно. Неважно, кем вы станете после окончания МФТИ - академическими учёными, прикладниками, или найдёте другую интересную работу. Желаю вам всем успехов в жизни! Желаю найти любимую работу, на которую вы с радостью будете ходить. И создать хороший дом, в который вы с радостью будете возвращаться после работы.

(Сергей Тюльбашев, директор ПРАО)

Отзывы

Очень крутой материал, очень круто подан, но часто лично мне не хватало общей подготовки, чтобы осознать, о чём идёт речь, но это уже сугубо мои проблемы, а не организации школы.

(Анонимный отзыв №1)

СПАСИБО ОРГАНИЗАТОРАМ И УЧАСТНИКАМ ЗА ЭТУ ПРЕКРАСНУЮ ЛЕТНЮЮ ШКОЛУ, А ТАКЖЕ ВСЕХ ПРИЧАСТНЫХ!!! (и деепричастных тоже)

(Анонимный отзыв №2)

Вы очень крутые, спасибо вам большое. Было очень интересно, но хотелось бы больше тем, чтобы попробовать и понять, что ты хочешь от жизни. Спасибо Dr.Kopeikin за отличную лекцию. Очень здорово, что вы смогли привлечь российского ученого из-за рубежа.

(Анонимный отзыв №3)

Спасибо большое за прекрасно проведенное время! Это было ооочень интересно и незабываемо! Отдельное спасибо Сергею Анатольевичу за возможность получить знания от настоящих ученых и за чудесную экскурсию!

(Анонимный отзыв №4)

К длительности школы: если цель - рассказать какую-то тему и дать по ней не очень сложную задачу (на день-два), то 2 недели в самый раз. Если же давать более сложные (глубокие?) задачи, то недели 3, наверное, нужно. P.S. Ничего не имею против несложных задач, просто мысль.

(Анонимный отзыв №5)

В целом всё прошло просто прекрасно. Очень понравилась экскурсия по территории обсерватории, особенно по РТ-22. Если вкратце пройтись по лекциям, то Тюльбашев понятно отвечает на все вопросы и вовремя разбавляет лекцию байками и шутками, чтобы студенты не засыпали. После занятия также готов долго отвечать на вопросы. Лекции Михаила Лисакова тоже очень понравились. Все чётко и доходчиво объясняет, отвечает на все вопросы. На мой взгляд, Потапову можно попробовать дать чуть больше времени, так как из-за его нехватки приходилось иногда прожевывать некоторые темы (хотя, возможно, я невнимательно слушал) из-за чего складывалась неполная картина и приходилось много чего спрашивать. У Ильи тоже хорошие лекции, они помогли лучше понять, что именно мы делали в своей задаче. Про Копейкина трудно сказать, так как большую часть из того, что он рассказывал, я уже слышал (разве что формулы не все знаю), но для других там было много нового. Теперь немного про практические занятия. По части оценки флуктуационной чувствительности все понравилось, Лена и Маша всё подробно объясняли, если что-то не получалось, Тюльбашев тоже отвечал на все возникающие вопросы. Отчёт в виде статьи по проделанной работе тоже понравился, так как Тюльбашев конструктивно разбирает твою работу и говорит чего не хватает и что можно было бы сделать лучше. По части картографирования джетов и выбора задачи тоже все отлично. Миша и Илья всегда были готовы помочь. Особенно бедный Миша, которого каждый раз держали до 19:00. Сами задачи были, на мой взгляд, очень интересными. Наконец-то появился повод разобраться с Linux. Интересно было поработать с самой программой difmap, по началу она выглядела какой -то совсем непонятной, хотя за пару дней удалось научиться пользоваться ей для наших задач. Хотелось бы только дать ещё времени Илье, а то его программу для моделирования джетов скачать то удалось, и даже получилось построить джет, но времени нормально с ней поработать не нашлось, хотя она выглядела весьма интересно. Введение в Python и преобразование Фурье помогают вспомнить уже забытое. По занятию по хронометрированию пульсаров могу сказать то же, что и про лекции - маловато времени. Хотя тут более-менее уже были понятны общие концепции. Надеюсь, ничего не забыл. По итогу смены хотел выразить благодарность всем преподавателям и Маше с Леной за проделанную работу. Было приятно со всеми работать, узнал много нового для себя, плюс получил мотивацию для дальнейшей работы. Надеюсь, ещё доведётся поработать с кем-нибудь из преподавателей. P.S. Извиняюсь за опечатки и сокращений имен и отчеств до фамилии, так как писал с телефона. P.P.S. Шашлыки, разумеется, тоже понравились. Только хотелось бы побольше пообщаться на них с М. Лисаковым (т.е. чтобы ему не приходилось отвлекать "Игорей")

(Анонимный отзыв №6)

Участники летней школы

Имя	Фамилия	Курс	Физтех-школа	Базовая кафедра
Дмитрий	Загоруля	2	ЛФИ	Проблем физики и астрофизики
Вячеслав	Черносов	1	ЛФИ	-
Александр	Разин	2	ЛФИ	Проблем физики и астрофизики
Вероника	Дорохович	1	ФБМФ	-
Вера	Цуркис	2	ЛФИ	Проблем физики и астрофизики
Михаил	Чекаль	2	ЛФИ	Проблем физики и астрофизики
Константин	Хвосточенко	2	ЛФИ	Проблем физики и астрофизики
Егор	Губарев	2	ЛФИ	Проблем физики и астрофизики
Полина	Васильева	2	ЛФИ	Проблем физики и астрофизики
Полина	Самородская	3	ЛФИ	Проблем физики и астрофизики
Лидия	Солнышко	2	ЛФИ	Проблем физики и астрофизики
Имя	Фамилия	Курс	ВУЗ	Кафедра
Алексей	Фраерман	3	ГАИШ МГУ
Степан	Андрианов	2	СПбГУ

Преподаватели летней школы