Досліджувати космос, спостерігати за народженням і згасанням зір, вивчати чорні діри… Чи потрібна для цього математика? Авжеж!

Як знання математики допомагає у дослідженні галактик та де у повсякденні користуємося здобутками астрофізики — про все це розпитали Олену Компанієць. Вона — науковиця Головної астрономічної обсерваторії НАН України та освітня кураторка лекторію для дітей «Science Kids».

Розкажіть, чим ви займаєтеся як астрофізикиня.

Я вивчаю галактики. Всесвіт — як велика павутина з галактик: десь вони розташовані поруч одна з одною, десь — формують скупчення, а місцями їх зовсім немає. Нині я працюю з тими галактиками, які в космологічних масштабах перебувають близько до нашої. Досліджую, які в них процеси: чи активне їхнє ядро, тобто чи відбувається падіння речовини на надмасивну чорну діру, як активно утворюються зорі тощо.

Для досліджень використовую мультихвильовий аналіз. Суть методу полягає в тому, що ми збираємо інформацію про випромінювання від галактик. Тобто оцінюємо ті потоки, що долітають до нас: від рентгенівського випромінювання до радіохвиль (діапазон електромагнітних хвиль із частотою нижче ніж 300 ГГц — прим. ред.). Потім аналізую ці дані за допомогою програмного забезпечення. Так можу отримати максимально детальний портрет близької галактики та краще розуміти наших галактичних сусідів. Це нам допомагає ще й краще розуміти нашу галактику, адже ми не можемо вилетіти за її межі та дослідити, який вигляд вона має ззовні. А галактики, які я вивчаю, подібні за характеристиками до тієї, у якій живемо ми.

Одна з основних теорій, яка дозволяє описати еволюцію галактик від початку Всесвіту й до сьогодні, говорить: імовірно, більшість галактик проходили різні етапи злиття з іншими галактиками в минулому. І досі галактики, які перебувають поруч у Всесвіті, можуть впливати гравітаційно одна на одну, а з часом і злитися в нову. Моделювання показує, що у майбутньому наша галактика має почати зливатися з іншою, під назвою Андромеда. Звісно, для людства це відбудеться не скоро, але для космосу декілька мільйонів років — дуже короткий період.

Нині я працюю з ізольованими галактиками, які не мають близьких сусідів і не перебувають на стадії злиття з іншими. Це такі собі галактики-інтроверти.

Чи вивчають астрофізики математику і в чому вона їм допомагає?

Звичайно, ще й дуже інтенсивно! У мене доволі цікава історія з математикою: у підлітків’ї я її абсолютно не розуміла і просто завчала напам’ять розв’язок задач чи рівнянь. Коли ж вирішила, що хочу пов’язати своє життя з астрономією, стало зрозуміло: знати математику обов’язково, інакше не зможу стати науковицею. Тоді я вирішила вступати до фізико-математичного ліцею, куди мене з першого разу не взяли. Проте я не здалася і склала іспит удруге, а ще — зацікавила директорку ліцею своєю роботою, яку писала як учениця Малої академії наук.

Пізніше, навчаючись на фізичному факультеті Київського національного університету імені Тараса Шевченка, мала безліч математичних предметів: математичний аналіз, диференційне числення тощо. Математика допомагала мені глибше розуміти фізику, адже базові рівняння ми виводили з нуля. Скажімо, коли вивчали механіку і рух тіл, то поміщали тіло в систему координат XYZ та описували зміну його швидкості. Так виводили другий закон Ньютона, який пояснює, як прискорення тіла залежить від сил, що діють на нього. Для розуміння фізичних закономірностей необхідно оперувати математичними поняттями, як-от похідна, функція тощо.

Як математичні знання допомагають досліджувати космос?

Математика в астрофізиці — як абетка в українській мові. Щоб складати слова та будувати речення, необхідно знати букви. Подібно до цього науковці складають формули та рівняння, які описують, скажімо, рух планети навколо Сонця або що відбувається з речовиною, коли вона падає на чорну діру.

Математика — це набір певних алгоритмів, які ми вивчаємо, а потім вчимося застосовувати на практиці. Також математика вчить шукати аналогії, будувати закономірності, аналізувати та порівнювати інформацію. Ці знання нам необхідні і в науковій роботі, і в повсякденні.

Де у повсякденні ми користуємося здобутками астрофізики?

Яскравий приклад — GPS (Global Positioning System — система, за якою визначають положення та швидкість об’єкта на поверхні Землі або в атмосфері — прим. ред.)! Цією технологією ми послуговуємося щодня: прокладаємо шлях до кав’ярні, де запланували зустрітися з друзями, відстежуємо шлях покупки з онлайн-магазину чи розраховуємо, скільки часу необхідно, щоб добратися кудись громадським транспортом. 

Створення GPS було б неможливим без рівняння загальної теорії відносності Айнштайна, яке він опублікував на початку XX століття. Це відкрило інакший погляд на гравітацію. Учений показав, що час не існує окремо від простору, — є щось єдине, що уявляємо як «простір-час». Відповідно, якщо якийсь фактор впливає на простір, він змінює і плин часу. Тоді це твердження було частиною фундаментальної фізики, ніхто і гадки не мав, як це вплине на технології в майбутньому. Але сьогодні без цього рівняння не працювала б GPS.

Річ у тім, що час на Землі та на супутнику GPS плине по-різному. Причина — у різній гравітації, відповідно, годинник на супутнику йтиме швидше. І якби ми не враховували цієї часової різниці, то не могли б точно визначити своє розташування. Рівняння Айнштайна, власне, і використовують, щоби звести час на Землі та супутнику до єдиної системи.

Ми не знаємо, яке практичне застосування матимуть наші фундаментальні напрацювання в майбутньому, адже в космосі ще стільки всього невідомого! Всесвіт на 75 % складається із невідомої темної енергії, яка поводиться так, ніби протидіє гравітації, ще майже 25 % — це темна матерія, про яку нічого не знаємо. А все те, що вивчили та дослідили вчені: всі відомі галактики та зорі, планети, космічний пил, астероїди, комети, чорні діри — це лише 4–5 % Всесвіту. 

Які кар’єрні перспективи мають астрофізики?

В Україні ці фахівці можуть долучитися до різних напрямів досліджень. До прикладу, приєднатися до харківської групи, яка вивчає Всесвіт у радіодіапазоні. Є чудова команда космологів, які працюють із раннім Всесвітом, у Львові, група дослідників зір в Одесі. У Головній астрономічній обсерваторії, де працюю я, також маємо різні види досліджень: від вивчення малих тіл Сонячної системи, пошуків екзопланет, себто тих, що перебувають поряд із зорями, до вивчення цілих галактик. Вибір великий!

Варто вибрати той напрям, що запалить ваш інтерес. Але водночас пам’ятайте: завжди можна змінити сферу чи вектор досліджень, спробувати щось інше.

А до яких викликів на професійному шляху слід бути готовими?

Слід бути готовими до того, що як науковці ви не заробите великих статків. Нині наука в Україні не фінансується на тому рівні, як хотілося б. Проте ви можете залучати грантові кошти на стажування або дослідження від Національної академії наук, Міністерства освіти і науки, Національного фонду досліджень України чи іноземних партнерів. Гранти дають змогу подорожувати, отримувати закордонний досвід та застосовувати його тут, в Україні, розвивати нашу науку.

Відповідно, важливий виклик для науковця — навчитися працювати з грантовими заявками. Тут знадобляться уважність, уміння фокусуватися на деталях, навички пошуку інформації. Звісно, це робота не для однієї людини, а для цілої команди. Проте варто бути готовими й до таких завдань, окрім власне наукових досліджень.

Що порадите підліткам, які задумуються про космокар’єру?

Найперше: подружіться з математикою! Якщо у мене це вийшло, то і вам обов’язково вдасться. Пробуйте те, що вас цікавить, спілкуйтеся з учителями чи вченими, створюйте дослідницькі проєкти чи пишіть роботи в Малій академії наук — знайдіть у цій науці щось своє.

Якщо вас дійсно цікавить космос — вступайте на фізичний факультет. Астрономію можна вивчати в Одеському національному університеті імені І. І. Мечникова, Львівському національному університеті імені Івана Франка, Київському національному університеті імені Тараса Шевченка та Харківському національному університеті імені В. Н. Каразіна. Спочатку може бути складно, але це нормально.

Щоби дізнатися більше цікавого про світ довкола, стежте за нашим лекторієм «Science Kids». Також раджу підписатися на ютуб-канал моєї колежанки-астрофізикині Дар’ї Добричевої та канал «Всесвіт UA», там знайдете різні астрономічні новинки. Нещодавно у Головної астрономічної обсерваторії з’явилася сторінка в інстаграмі, і ми плануємо активно її наповнювати, тож підписуйтесь. Цього літа в обсерваторії провели першу астрошколу для студентів, де ознайомили їх із сучасними напрямами досліджень та нашими напрацюваннями. Плануємо зробити такі заходи регулярними. Тому стежте за анонсами та долучайтеся.

Ілюстрації: Олена Ковальчук