Бернський астрофізик-теоретик Кевін Хенг зробив рідкісний подвиг: на папері він розв’язав математичну проблему розрахунку відбиття світла від планет і супутників. Тепер дані можуть бути інтерпретовані простим способом, наприклад, для розуміння планетарних атмосфер.

Протягом тисячоліть людство спостерігало за зміною фаз Місяця. Зростання і спад сонячного світла, відбитого від Місяця, коли він постає перед нами з різних боків, відомі як «фазова крива». Вимірювання фазових кривих Місяця і планет Сонячної системи – це давня галузь астрономії, якій не менше ста років. Форми цих фазових кривих містять інформацію про поверхні і атмосфери цих небесних тіл. У наш час астрономи вимірюють фазові криві екзопланет за допомогою космічних телескопів, таких як Hubble, Spitzer, TESS і CHEOPS. Ці спостереження порівнюються з теоретичними передбаченнями. Для цього необхідний спосіб розрахунку цих фазових кривих. Це передбачає пошук розв’язання математичної задачі, пов’язаної з фізикою випромінювання.

Проблема розрахунку відбитого світла від планет Сонячної системи була поставлена американським астрономом Генрі Норрісом Расселом у впливовій роботі 1916 року. Об’єднавши ідеї з її вирішення своїх попередників – авторитетних вчених – Хенг зміг записати математичні рішення для сили відображення (альбедо) і форми фазової кривої, причому повністю на папері і не вдаючись до допомоги комп’ютера. Новаторський аспект цих рішень полягає в тому, що вони дійсні для будь-якого закону відображення, що означає, що їх можна використовувати в дуже загальному вигляді. Визначальний момент настав, коли вчений порівняв свої розрахунки на папері з тим, що інші дослідники зробили з допомогою комп’ютерних обчислень. І був вражений тим, наскільки добре вони збіглися.

«Мене хвилює не тільки відкриття нової теорії, але і її важливі наслідки для інтерпретації даних», – говорить Хенг. Наприклад, космічний апарат Кассіні виміряв фазові криві Юпітера на початку 2000 років, але глибокий аналіз цих даних раніше не проводився, ймовірно, тому, що розрахунки були занадто дорогими для обчислень. За допомогою нової системи рішень Хенг зміг проаналізувати фазові криві Кассіні і зробити висновок про те, що атмосфера Юпітера заповнена хмарами, що складаються з великих, неправильних часток різного розміру. Це паралельне дослідження щойно опубліковане в Astrophysical Journal Letters.

Можливість записати математичні рішення для фазових кривих відбитого світла на папері означає, що їх можна використовувати для аналізу даних за лічені секунди. Це відкриває нові способи інтерпретації даних, які раніше були неможливі. Хенг співпрацює з П’єром Ослер-Десротуром з Паризької обсерваторії для подальшого узагальнення цих математичних рішень.

Хенг і його співавтори продемонстрували новий спосіб аналізу фазової кривої екзопланети Kepler-7b, отриманої за допомогою космічного телескопа Kepler. Бретт Морріс керував частиною роботи з аналізу даних. Наразі вони співпрацюють з вченими з американського космічного телескопа TESS для аналізу даних фазової кривої TESS. Хенг передбачає, що ці нові рішення приведуть до появи нових способів аналізу даних фазових кривих з майбутнього космічного телескопа імені Джеймса Вебба, запуск якого запланований на 2021 рік. «Найбільше мене тішить те, що ці математичні рішення залишаться актуальними ще довго після того, як я піду з життя, і, можливо, увійдуть в стандартні підручники», – сказав Хенг.

Джерело.