Пыль загадочной пустоты

Краудсорсинг помог астрономам обнаружить, что зонд НАСА Stardust доставил на Землю частицы космической пыли из межзвездного пространства. Американский космический «пылесос» Stardust, отправившийся изучать космическую пыль в 1999 году в хвосте кометы Wild-2, привез с собой не только зерна ее материи, но и частицы из межзвездного пространства.

Этот груз зонд доставил на Землю еще в 2006 году, однако чем именно он оказался, выяснилось только сейчас. Это открытие стало возможным благодаря тысячам «гражданских ученых», чьи компьютеры помогали астрономам изучать форму и физические свойства гранул пыли. Фотографии первых семи частиц материи из межзвездного пространства, их химические и физические свойства, а также дальнейшие планы их первооткрывателей были представлены в журнале Science.

«Если говорить о Stardust@home как одном из самых первых проектов гражданской науки, то мы можем признать его чрезвычайно успешным. Если бы у нас был один сотрудник, который бы всю неделю сидел и изучал снимки аэрогеля с частицами пыли на протяжении всех 40 часов рабочего времени, он бы три года корпел над небольшой частью фотографий, которую наши помощники-пылевики уже успели проанализировать несколько десятков раз», — повествует Анна Баттерворт из Университета Калифорнии в Беркли, одна из ведущих авторов статьи.

Баттерворт и ее коллеги подготовили масштабную научную статью, у которой есть шансы попасть в книгу рекордов Гиннесса по числу соавторов — помимо 65 геологов и астрономов, в их число входят более 30 тысяч так называемых пылевиков из сети распределенных вычислений Stardust@home. Добровольцы из интернета на протяжении последних восьми лет помогают ученым из университета в Беркли находить зерна космической пыли в толще гелевых пылесборников, которые были установлены на главном «пылесосе» НАСА — зонде Stardust.

Планы по созданию этой уникальной миссии зародились в США в начале 1990-х годов прошлого века после первых успехов в изучении комет Солнечной системы при помощи космических аппаратов. В 1995 году НАСА приняло решение создать аппарат, который должен был отправиться к комете Wild-2 и получить образцы пыли и газа из ее хвоста. Для этого инженеры изготовили четыре пылесборника из нескольких десятков тонких листов фольги и аэрогеля, половина из которых были установлены на носу зонда, а вторая часть — в его задней части. Для изучения кометы были предназначены лишь первые две ловушки — хвостовые пылесборники должны были ловить мельчайшие гранулы материи из межзвездного пространства.

Дифракционный снимок частицы пыли, получившей имя «Орион». Изображение: Zack Gainsforth

Как отмечают авторы статьи, подобные частицы являются настоящей драгоценностью для астрономов, так как прямое изучение твердой материи из межзвездной среды почти невозможно осуществить при помощи современных инструментов и телескопов. Земля и другие планеты Солнечной системы находятся не в настоящем межзвездном пространстве, а внутри гигантского пузыря из плазмы солнечного ветра, так называемой гелиосферы, границу которой только недавно преодолел «Вояджер-1». Наблюдения с «Хаббла», зонда IBEX и других космических телескопов показывают, что физические и химические свойства частиц пыли и газа внутри нее могут заметно отличаться от того, как устроены и как ведут себя их аналоги в пустоте между звездами. По этой причине наши представления о межзвездной среде во многом основываются на догадках и математических моделях.

Успешный запуск Stardust в 1999 году, его прибытие к Wild-2 в 2001 году и возвращение на Землю в 2006 вместе с неповрежденными пылесборниками дало надежду на то, что ученым удастся прояснить ситуацию в ближайшие годы. Но когда ученые впервые увидели вернувшиеся из космоса пластины пылесборников, они поняли, что на их изучение уйдет как минимум несколько десятилетий. По самым первым оценкам внутри листов аэрогеля застряло свыше миллиона частиц пыли, большая часть из которых была практически незаметна для невооруженного глаза из-за крайне малого диаметра, не превышающего десятые и сотые доли микрона.

Подобные частицы можно находить и идентифицировать при помощи суперкомпьютеров, используя специальные алгоритмы обработки фотографий, однако делать это крайне сложно и дорого с точки зрения вычислительных ресурсов из-за микроскопических размеров зерен пыли и их большого количества. Авторы статьи предложили оптимальное решение для этой проблемы — они посоветовали НАСА и другим научным организациям, участвующим в изучении микроснимков с пылесборников Stardust, подключить к их изучению добровольцев из интернета.

Одна из частичек межзвездной среды, найденной в пылесборниках Stardust. Изображение: Zack Gainsforth

У университета в Беркли есть богатый опыт в реализации подобных проектов — в его стенах были созданы несколько сетей распределенных вычислений на базе технологии BOINC, созданной программистом Дэвидом Андерсоном в 1999 году для системы коллективного поиска инопланетян SETI@home. Подобные сети базируются на относительно простом принципе — изучаемая задача делится на большое количество небольших и независимых друг от друга кусочков, которые сервер отправляет через сеть на компьютеры добровольцев.

После того как ПК справляется с ней, он отправляет решение обратно на сервер, который интегрирует полученный ответ в общую картину после вычисления контрольной суммы и других простых проверок результата. Помимо исследований, связанных с инопланетянами, ученые используют сегодня подобные проекты гражданской науки для изучения процесса сворачивания белков (Folding@home), определения их формулы (Rosetta@home), изучения Галактики (Milkyway@home) и поиска гравитационных волн (Einstein@home).

В 2006 году программисты и астрогеологи из Беркли создали еще одну сеть, которая получила название Stardust@home. По своей архитектуре и методике работы она заметно отличается от предшественников — в ней объединяются не ресурсы процессоров пользователей интернета, а сами «гражданские ученые». Когда сервер посылает новое задание на машину добровольца, клиент Stardust@home выводит на монитор небольшой кусочек фотографии пластины из аэрогеля с Stardust.

На этом изображении доброволец должен искать следы космической пыли — непрозрачные линии, которые гранулы межзвездной материи оставляют в толще аэрогеля при столкновении с ловушкой. Во время поиска этих частиц участники Stardust@home опирались на целый список признаков «межзвездности» пыли, который для них разработали авторы статьи. Тем не менее добровольцам все равно приходилось в большей степени полагаться на остроту своего зрения и разума.

За последние восемь лет ученым и их интернет-помощникам удалось проанализировать примерно половину пластин аэрогеля и разделяющих их листов алюминиевой фольги. Во время последнего сезона Stardust@home участникам проекта улыбнулась удача — им удалось найти сразу пять частиц межзвездной пыли и доказать то, что они являются лишь гостями в Солнечной системе. Еще одна пара гранул была найдена самими учеными, изучавшими другие порции снимков с зонда НАСА.

Авторы статьи извлекли зерна пыли из аэрогеля и изучили их химический состав, форму, физические свойства и прочие параметры при помощи рентгеновского микроскопа, дифракционного кристаллографа спектроскопа и десятка других научных инструментов.

Уже сейчас можно говорить о нескольких интересных или неожиданных результатах, полученных при анализе свойств межзвездной пыли. Во-первых, судя по относительно большим размерам и массе этих частиц, превышающих микрометр и три пикограмма, межзвездная материя состоит из гораздо более крупных зерен пыли, чем раньше считали ученые. По расчетам авторов статьи, реальные размеры частиц превышают оценки как минимум на порядок или даже в 100 раз.

Во-вторых, присутствие оливина, породы из магния, железа, кремния и кислорода, во всех найденных фрагментах, кроме одного, говорит о том, что они были рождены в пределах другой звездной системы, откуда они были выброшены в межзвездное пространство, по всей видимости, после взрыва сверхновой. Большой неожиданностью для астрогеологов стало обнаружение в некоторых зернах пыли атомов и соединений серы, которые не должны встречаться в межзвездной среде, по современным астрономическим представлениям.

«Кратер» от падения частички межзвездной пыли на лист алюминиевой фольги в пылесборнике зонда НАСА. Изображение: Rhonda Stroud / Naval Research Laboratory

«Тот факт, что две самые большие и "пушистые" частицы содержат в себе оливин, говорит о том, что эта пыль возникла в протопланетных дисках на окраинах звездных систем, после чего ее химический состав заметно поменялся при попадании в межзвездную среду. Похоже, что мы только начинаем раскрывать то разнообразие частиц, которое царит в межзвездной среде и которое мы просто не можем увидеть только лишь при помощи астрономических наблюдений», — добавил один из авторов статьи Эндрю Уэстфол из университета в Беркли.

На этом история частиц из ловушек зонда НАСА не заканчивается. В ближайшие дни ученые намерены взять два самых интересных зерна пыли, которым их первооткрыватели из Stardust@home присвоили имена «Орион» и «Хилабрук», и уничтожить их во имя науки, что требуется для определения изотопного состава и многих других физико-химических свойств. Как отмечают исследователи, доли изотопов кислорода и других первичных элементов не только помогут им подтвердить, что эти частицы возникли не в пределах Солнечной системы, но и раскроют химический состав материи газопылевых облаков, в которых рождаются новые звезды и планеты.

15 августа начинается новый, седьмой сезон работы Stardust@home. Авторы статьи приглашают присоединиться к проекту всех желающих, кто желает запечатлеть свое имя в истории науки и раскрыть тайны пока загадочного пространства между Солнечной системой и ее ближайшими соседями.