حقق عالم الفلك النظري في برنيس كيفين هينج إنجازًا نادرًا: فقد توصل على الورق إلى حلول مبتكرة لمشكلة رياضية قديمة تتطلب حساب انعكاسات الضوء من الكواكب والأقمار. الآن ، دعونا نشرح البيانات بطريقة بسيطة لفهم الغلاف الجوي للكواكب. سيتم دمج الصيغ الجديدة في الكتب المدرسية المستقبلية.
منذ آلاف السنين ، كانت البشرية تراقب المواقف المتغيرة للقمر. ينعكس صعود وهبوط ضوء الشمس عن القمر لأنه يعطينا وجوهه المختلفة ، وهو ما يسمى “منحنى الطور”. يعد قياس منحنيات الطور للقمر والأنظمة الشمسية أحد فروع علم الفلك القديم منذ قرن على الأقل. تقوم أشكال منحنيات هذه الطور بتشفير معلومات الأسطح والأغلفة الجوية لهذه الأجرام السماوية. في العصر الحديث ، قاس علماء الفلك منحنيات الطور للكواكب الخارجية باستخدام تلسكوبات فضائية مثل هابل وسبيتزر. ديس، و CHEOPS. تتم مقارنة هذه الملاحظات مع التوقعات النظرية. للقيام بذلك ، هناك حاجة إلى طريقة لحساب منحنيات الطور هذه. يتضمن ذلك إيجاد حل لمشكلة رياضية صعبة تتعلق بفيزياء الإشعاع.
تعود مناهج حساب منحنيات الطور إلى القرن الثامن عشر. يعود أقدم هذه الحلول إلى عالم الرياضيات والفيزياء والفلك السويسري في القرن الثامن عشر يوهان هاينريش لامبرت. “قانون لامبرت للتفكير” هو سبب ذلك. قدم عالم الفلك الأمريكي هنري نوريس راسل مشكلة حساب الضوء المنعكس من النظام الشمسي في ورقة بحثية مؤثرة عام 1916. حل آخر معروف في عام 1981 هو العمل الكلاسيكي لعالم القمر الأمريكي بروس هوبك ، الذي أنشأ عام 1960 سوبرامانيان تشاندراسيخار الحائز على جائزة نوبل الهندية الأمريكية. قدم الفيزيائي السوفيتي فيكتور سوبوليف مساهمة مهمة في دراسة الضوء المنعكس من الأجرام السماوية في كتابه المدرسي المؤثر لعام 1975. مستوحى من عمل هؤلاء العلماء ، عالم الفيزياء الفلكية النظرية كيفن هينج في مركز الفضاء والحياة CSH جامعة برن اكتشف مجموعة كاملة من الحلول الرياضية الجديدة لحساب منحنيات الطور. كتب الورقة البحثية كيفن هينج بالتعاون مع برنت موريس من المركز الوطني للبحوث NCCR Planets ودانيال كيدسمان من CSH ، التي نشرتها جامعة برن بالتعاون مع جامعة جنيف. علم الفلك الطبيعي.
حلول متوافقة بشكل عام
“أنا محظوظ لأن هذا النظام الثري قد تم إنشاؤه بالفعل بواسطة هؤلاء العلماء العظماء.
من خلال الجمع بين هذه الأفكار ، كان Heng قادرًا على كتابة حلول رياضية لقوة الانعكاس (البياض) وشكل منحنى الطور بالكامل على الورق ودون الاعتماد على الكمبيوتر. “الميزة الأساسية لهذه الحلول هي أنها صالحة لأي قانون انعكاس ، مما يعني أنه يمكن استخدامها بالطرق الأكثر شيوعًا. جاءت اللحظة لتحديد هذه الحسابات بالقلم والورق مقارنة بما قام به باحثون آخرون باستخدام حسابات الكمبيوتر. قال هنغ “لقد صدمت لرؤية مدى ملاءمتهم”.
تحليل ناجح لمنحنى طور المشتري
يقول هينج: “ما يثيرني ليس فقط اكتشاف نظرية جديدة ، ولكن أيضًا تداعياتها الرئيسية على تفسير البيانات”. على سبيل المثال ، ملف كاسيني منحنيات الطور المقاسة للمركبة الفضائية يوم الخميس في أوائل القرن الحادي والعشرين ، ولكن لم يتم إجراء تحليل متعمق للبيانات من قبل ، ربما كانت الحسابات باهظة الثمن في الحساب. مع هذه الحلول العائلية الجديدة ، تمكن هنغ كاسيني من تحليل منحنيات الطور واستنتاج أن الغلاف الجوي لكوكب المشتري مليء بسحب من الجسيمات الكبيرة غير المنتظمة ذات الأحجام المختلفة. تم نشر هذه الدراسة الموازية رسائل فيزياء الفلك ، بالتعاون مع اختصاصي بيانات كاسيني وعالم الكواكب ليمينغ لي من جامعة هيوستن ، تكساس ، الولايات المتحدة الأمريكية
إمكانيات جديدة لتحليل البيانات من التلسكوبات الفضائية
قال هينج: “إن القدرة على كتابة حلول رياضية لمنحنيات الطور للضوء المنعكس على الورق تعني أنه يمكنك استخدامها لتحليل البيانات في غضون ثوانٍ”. هذا يفتح آفاقًا جديدة لشرح البيانات التي كانت مستحيلة سابقًا. لتعميم هذه الحلول الرياضية بشكل أكبر ، تعاون Heng Pierre مع Ackler-Desrodor (سابقًا CSH ، والآن في مختبر باريس). قال هينج: “بيير أوكلير ديسروتور هو عالم رياضيات تطبيقي أفضل مني ، ونعد بنتائج مذهلة في المستقبل”.
في علم الفلك الطبيعي على الورق ، أظهر Heng وزملاؤه طريقة جديدة لتحليل منحنى الطور خارج الأرض Kepler-7b من تلسكوب كبلر الفضائي. قسم تحليل البيانات في الورقة بقيادة بريت موريس. وأوضح هينج: “يقود بريت موريس تحليل البيانات لمهمة CHEOPS في فريق البحث الخاص بي ، ومنهج علم البيانات الحديث الخاص به أمر بالغ الأهمية للتطبيق الناجح للحلول الرياضية للبيانات الحقيقية”. يتعاونون حاليًا مع العلماء في تلسكوب TESS الفضائي بقيادة الولايات المتحدة لتحليل بيانات منحنى طور TESS. يعتقد Heng أن هذه الحلول الجديدة ستؤدي إلى طرق جديدة لتحليل البيانات من منحنى المرحلة القادم بقيمة 10 مليار دولار. تلسكوب جيمس ويب الفضائيومن المقرر إطلاقه في عام 2021. قال هينج: “لا تزال حلول الرياضيات هذه صالحة بعد أن أغادر ومن المحتمل أن تدخل الكتب المدرسية القياسية”.
ملحوظات:
كيفن هينج ، بريت م. موريس ودانيال كيدسمان ، 30 أغسطس 2021 ، “تعكس ألبيتوس الهندسية الحلول الأولية ذات الشكل المغلق ومنحنيات الطور الضوئي للكواكب الخارجية” ، علم الفلك الطبيعي.
DOI: 10.1038 / s41550-021-01444-7
“كوكب خارج المجموعة الشمسية: الذكاء من منحنيات وجه كاسيني” كيفن هينج وليمينغ لي ، 11 مارس 2021 ، رسائل في الفيزياء الفلكية.
DOI: 10.3847 / 2041-8213 / abe872
