18029
12 января 2021
Лариса Пак, иллюстрация Айдара Ергали

Дана Алина, астрофизик: «Моя мечта — запускать стратостаты в Казахстане»

Про звездную пыль, телескопы и искусственный интеллект в астрофизике

Дана Алина, астрофизик: «Моя мечта — запускать стратостаты в Казахстане»

ҒЫЛЫМ FACES — проект, цель которого представить казахстанских ученых — разного пола и возраста, живущих в Казахстане и за рубежом, представителей самых разных направлений науки, объединенных любовью к научным исследованиям.

Астрофизик Дана Алина изучает звездную пыль. После 9 лет во Франции, сейчас она работает в Назарбаев Университете. В этом интервью Дана рассказывает о том, как после гуманитарного лицея она стала астрофизиком, зачем Казахстану запускать свои стратостаты и почему ее новый проект связан с изучением Магеллановых облаков.

— С чего началось увлечение физикой?

— Я родилась в Павлодаре, и в детстве мечтала быть космонавтом, мне просто хотелось улететь с Земли. Но в космонавты с моим весом не берут, — должно быть от 50 кг и выше. Одно время я даже хотела пойти в летное училище. Кстати, в космонавты чаще набирают летчиков или инженеров, реже — ученых.

Есть физики и астрофизики, которые уже в 7 классе понимают, что физика — это их, я не такая. Вообще я не увлекалась физикой в школе, мне просто всегда был интересен космос. Я хотела заниматься наукой, но в тот момент в Казахстане она была в тяжелом состоянии: деньги не выделялись, зарплаты никакие.

Я окончила очень хорошую школу-гимназию, училась в гуманитарном классе, изучала французский язык, побеждала на олимпиадах. Поступила в Алматы в Академию бизнеса (МАБ) на частичный грант, проучилась месяц. Потом мне сообщили, что я прошла по программе «Болашак» во французский вуз. На следующий учебный год я уехала во Францию и провела там почти девять лет. Первый год в университете был сложный, мне нужно было заполнить все свои пробелы по физике, и, к тому же, обучение шло сразу на французском языке. А когда поступила в магистратуру, наконец выдохнула, потому что весь бакалавриат ждала, когда смогу заниматься именно астрофизикой. Изучение звезд, планет и галактик — моё. Мне интереснее, что и как происходит в космосе, нежели остальные области физики.

— Чем занимались ваши родители?

— Папа — инженер-строитель, в 90-е стал предпринимателем. Мама — филолог по первому образованию, тоже в то время, как и отец, занималась бизнесом. В нулевые она пошла учиться на психолога и стала доктором психологических наук. Получается, что сейчас мы одновременно занимаемся наукой. А когда я оканчивала школу, с наукой в стране было сложнее, поэтому я и не планировала ей заниматься. Когда появилась программа «Болашак», папа сказал: «Ты же хотела заниматься астрофизикой, — попробуй. Там, во Франции, нормальная наука». Я уезжала с мыслью постараться дойти до PhD.

До молодого поколения абитуриентов я хочу донести такую же мысль — не бойтесь и пробуйте. Пусть год будет потрачен зря, но на самом деле ошибиться или поменять направление — не страшно. А тем, кто сейчас на PhD, — не бросайте обучение на втором году. Часто именно в этот момент на PhD бывает тяжело, но нужно заниматься своим психическим здоровьем.

— Когда вы рассказываете своим друзьям и близким о том, чем вы занимаетесь, что вы говорите?

— Рассказываю про межзвездную пыль, про формирование звезд, потому что звезды все видят. Говорю, что интересно понять, как они сформировались, и меня понимают.

Я не теоретик и не занимаюсь моделированием, я астрофизик-астроном. Я могу поехать в обсерваторию и там наблюдать за звездами в телескоп, но в основном работаю с данными с телескопов. На основе того, что наблюдают астрофизики-астрономы, теоретики потом говорят: «Ага, оказывается, там не такие условия окружающей среды и нам нужно рассматривать не вот такую-то гравитацию и такую-то турбулентность. Вот они наблюдали другую турбулентность, и мы посчитаем по-другому».

Моя сфера — межзвездная среда и магнитное поле в ней. В межзвездной среде есть пыль и газ, а из пыли мы и состоим, в общем-то. То есть, звезды формируются из пыли и газа, а на планете уже сформировалась жизнь, и мы — люди. А как пыль сформировалась, как получилось, что она там есть? Как она эволюционирует? Почему такой размер? Из каких элементов? Частицы пыли: пористые или не пористые? Это только часть вопросов.

Я изучаю межзвездную среду в нашей галактике, её динамику. Межзвездная среда образует облака, они развиваются, внутри происходят различные процессы, в частности, формирование звезд. Эти облака могут друг с другом сталкиваться. Скажем, звезда взорвалась и раскидала все вокруг, из-за этого облако изменилось и стало развиваться по-другому. А внутри облака материя сгущается — и оп! — рождается звезда. Это непрерывный процесс. А я изучаю то, как на всё это может влиять магнитное поле и как всё это влияет на магнитное поле.

— Мы состоим из звездной пыли. Из какой пыли? Откуда она появилась? Как возникла Вселенная?

— Это два разных вопроса. Скажем, для обывателя есть просто астрофизика, а для нас есть астрофизика и космология. Космология — наука о космосе и о том, что было в самом начале, она изучает самые-самые первые моменты зарождения Вселенной и по каким законам она могла развиться, а этих законов можно придумать тысячи. Я не космолог, а астрофизик, то есть, я изучаю то, что произошло сравнительно недавно, когда уже сформировались галактики.

Вы знаете про теорию большого взрыва: что-то было очень горячее и густое, и оно стало расширяться. Космологи изучают, как оно расширялось и то, как Вселенная развивается в целом. То есть, в течение 380 тысяч лет это был какой-то суп из частиц, которые не издавали излучение. Излучение — это фотоны. А потом температура стала достаточно низкой, чтобы эти фотоны вылетели, и вот тогда уже работают астрофизики. Мы видим: вот наши фотоны летят в разных диапазонах электромагнитного спектра. Например, наблюдаем их в инфракрасном излучении. Мы видим, что когда-то сформировались галактики, видим их на разных этапах развития.

— А почему Вселенная расширялась?

— А вот этого мы не знаем. Если ответить на этот вопрос, это Нобелевская премия, как минимум. Что интересно,— всё развивается, и одно зависит от другого. То есть, как «эффект бабочки». Вот небольшой сгусточек в этом первоначальном супе, ну чуть больше там было этих частичек, а оно всё так закрутилось, что в конце получилась галактика. Между галактиками есть межгалактическое пространство. Там тоже находятся пыль и газ, заряженные частицы, тяжелые частицы. Внутри галактики есть звезды, молекулярные облака, межзвездная среда, рассеянные газ и пыль, темная материя, черная дыра и так далее.

— А мы можем себе представить, насколько большая эта Вселенная? Если отталкиваться от данных, которые мы можем получить?

— Нет. Мы можем сказать её возраст, что ей 13,8 Gyr (1 гигагод= 1 миллиард лет). Но это световых лет, столько летели фотоны. Но чем дольше мы будем жить, тем больше будет размер наблюдаемой Вселенной. Например, в следующем году это будет плюс 1 год, но не обычный, а световой год, то есть, она еще больше. В представлении того, насколько большая Вселенная, имеет значение воображение. Для кого-то долететь до Канады кажется слишком далеко, а для кого-то далеко — это 150 млн км до Солнца.

— Как вы думаете, почему человек хочет расширить свое понимание Вселенной? Что это дает?

— Когда человек рождается, ему нужно знать, кто у него мама и папа. Если он этого не знает, ему становится плохо, потому что он не знает, откуда он. И такой же философский вопрос стоит перед человечеством: «Откуда этот космос, в котором я родился?».

Нам необходимо понять свои истоки и окружающий мир. Я знаю, что я дышу с помощью кислорода, который вырабатывают растения, и меня в 4 классе научили, что это фотосинтез. Но в предыдущие столетия люди не знали, что такое фотосинтез.

Я думаю, что чем больше мы будем понимать астрофизику, чем больше мы будем о ней говорить, тем больше для людей всё это будет просто — так же, как сейчас фотосинтез для четвероклассника. Сейчас часть людей просто не осознают масштабы, они говорят, что Млечный путь находится внутри Солнечной системы. Я бы хотела, чтобы те, кто прочитали эту статью, знали хотя бы понятие масштабов в космосе.

Вы правильно сказали: представить какая Вселенная. Но нам не надо представлять всю Вселенную, нам надо представить хотя бы свою ближнюю деревню. Это есть Земля, Солнце, вокруг Солнца есть планеты, но Солнце — одно из миллионов звезд, которое вращается в галактике Млечный путь, и все звезды, которые мы видим отсюда, с Земли, это звезды внутри нашей галактики.

— Какой у нас межгалактический адрес? Галактика Млечный путь, а дальше? Вот если высылать позывные, то куда лететь?

— Чтобы сказать адрес, нужна система координат. А кто решил, где будет центр? Это ведь мы решаем. У нас, астрофизиков, есть одна из систем координат, где Земля в центре, потому что нам так удобно, мы так решили. Это как определить, что такое хорошо и что такое плохо относительно самого себя. От меня вот это далеко, а от вас это по-другому. Поэтому мы делаем свои собственные вехи и решаем. Попробую объяснить стороннему наблюдателю, который смотрит на нашу Галактику извне. Если вы представите центр нашей галактики, то примерно на одну треть от её видимого диаметра отклоняйтесь по спирали под названием Орион. Но это мы, люди, так её назвали. Это небольшая спираль, находящаяся между двумя побольше. Есть и другие спирали — Персея, например. Представьте улитку с несколькими спиралями — такой формы наша галактика.

— То есть, наша галактика не объемная? Она в форме улитки?

— Это зависит от того, на что смотреть. То есть, почти вся видимая материя в ней в основном находится в таком толстеньком «блинчике». Большинство звезд внутри этого «блинчика». Материя крутится относительно центра, как на музыкальной пластинке. Пластинка заполнена не полностью, а лишь несколькими спиралями. У нас четыре спирали, есть покороче и подлиннее. В основном в этих спиралях находится большинство звезд, но звезды — это то, что мы видим, а есть много еще чего другого. То есть, сверху и снизу галактики, внутри и снаружи есть газ. Но есть еще и темная материя, которую мы не видим.

Схема галактики Млечный путь, иллюстрация NASA

— Если представить себе, что мы обладаем абсолютными знаниями про Вселенную, то сколько сейчас человек понимает? Мы понимаем хоть 1%?

— Я знаю максимум 0,1% от того, что есть в галактической астрофизике из известного. Сейчас наука на таком уровне, что мы копаем вглубь. Скажем, нам нужно выкопать яму для фундамента. Для этого сначала в дело идут экскаваторы, а потом уже лопаты. Мне кажется, что сейчас мы на этапе «лопаты». Каждый копает в своем направлении.

Например, вы, наверное, слышали, что сейчас в астрофизике началась эпоха гравитационных волн. Но до недавнего времени астрофизика базировалась на данных именно электромагнитного спектра. Электромагнитный спектр — это излучение, к которому мы привыкли. Например, оптический диапазон, где мы видим, инфракрасный, рентген, — это всё излучение фотонов. Астрофизика основывается на таких данных — электромагнитное излучение, гравитационные волны, а также частицы.

Конечно, есть теория, есть практика и есть наблюдения. В астрофизике это нужно различать. Есть целое отдельное направление — теоретическая астрофизика. Человек подумал: «Что же там может произойти?», «Какие могут быть процессы?». Сейчас, конечно, меньше тех, кто думает и просто пишет теорию, больше тех, кто пытается сделать численное моделирование. При помощи уравнений и компьютера смоделировать астрофизический процесс, сравнить с наблюдениями, вернуться к исходным параметрам, что-то поменять, чтобы приблизиться к реальности. На мой взгляд, самое важное и самое трудное в таком подходе — это помнить, что нам интересна реальность и иногда просто сказать: «нет, что-то моя модель не подходит». Но я моделями не занимаюсь. Мне интересны реальные данные и что мы можем в них найти. Тут тоже нужно быть очень осторожным, чтобы не искать только то, что хочешь найти. Кроме того, у астрономов львиная доля работы — это обработка данных, их проверка, ведь все это основывается на измерениях, в которых есть свои погрешности.

— Как называется проект, который вы сейчас начинаете?

— Это изучение поляризованного излучения галактик Магеллановы облака. Это две небольшие галактики, которые видны в южном полушарии и развиваются иначе, чем наша. Поэтому очень интересно, как там происходят процессы, которые мы наблюдаем в нашей галактике. Загвоздка в том, что, когда мы наблюдаем их, в телескоп попадает свет и от нашей галактики, ведь мы внутри «блинчика», сквозь него смотрим. Первая задача — разобраться, какая часть из того, что мы наблюдаем, из нашего «блинчика», а что из Магеллановых облаков. Чтобы это сделать, мы хотим применить машинное обучение. Сейчас искусственный интеллект, — а машинное обучение при помощи нейронных сетей это лишь его часть, помогает обрабатывать большое количество информации, улучшить и ускорить процессы. Ученым приходится разрабатывать свои методы анализа данных для каждой задачи. В том числе, для такой задачи, как распознавание нитевидных структур в космосе, которые мы и видим, наблюдая Магеллановы облака. Мы хотим сделать так, чтобы искусственный интеллект нашел, как обобщить различные методы, предложил свой, чтобы наиболее эффективно избавиться от ненужного в наших данных. Это такой первоначальный этап, но технически очень интересный. Потом мы уже можем заняться именно астрофизикой, изучать свойства пыли этих галактик, какое там магнитное поле и многое другое. Потом мы сможем применить алгоритм к другим задачам.

— В какие телескопы вы смотрите?

— Исследователи работают с разными телескопами, я использую оптические, инфракрасные, субмиллиметровые и радио. Это все — свет, просто разный. Например, оптический диапазон, к которому чувствителен человеческий глаз, инфракрасный, доступен с приборами ночного видения, как для шпионов. Рентген — это всё излучение фотонов. Оптические и радио находятся на Земле, в основном в горах. Один из последних телескопов, с которым я работала, — 14 метров в диаметре, и это он еще маленький. А инфракрасные и субмиллиметровые находятся на спутниках, они обычно 1-2 метра в диаметре.

Спутниковые телескопы нужны для наблюдения излучения в той области электромагнитного спектра, которое не достигает поверхности земли из-за атмосферы. Телескопы загружают на спутники, которые взлетают при помощи ракет и помещаются на орбиту. Еще такие телескопы можно размещать на стратосферических шарах — это большой воздушный шар, который летает на высоте около 40 км. Стратостат — это воздушный шар размером со стадион. Обычно продолжительность его полета — сутки. Он экологичный, никакого топлива сжигать не нужно.

Моя мечта — запускать такие стратостаты в Казахстане. Наша страна имеет потенциал в этом направлении, так как для стратосферических экспериментов очень важно, чтобы была небольшая плотность населения, как в Казахстане, Канаде и Австралии.

— А зачем нам его запускать?

— У нас будет свое собственное исследование космоса.

— А мы потом сможем продавать его, или что с ним делать?

— Вы сейчас говорите, как люди, занимающие административные должности, когда я к ним прихожу с предложением: «Давайте изучать космос. Это же будет круто!», а они у меня спрашивают: «А как мы будем деньги получать?». Я усмехаюсь: ну можно интернет провести. Между прочим, Google так и сделал. У них есть такой проект: они запускают кучу стратостатов и проводят интернет в малодоступные места. Кстати, можно предоставлять свою платформу для запуска стратосферических экспериментов ученым из других стран. Именно по такому принципу работают в Канаде, Австралии и Швеции. Но надо помнить, что если сильно смешивать науку и деньги, то ничего хорошего не выйдет.

— Хорошо. Вот предположим, что мы не смешиваем, но как использовать эти данные? Для чего они нужны?

— Со стратостата можно смотреть вверх — изучать небо, вбок — атмосферу и вниз —Землю. Мы можем проводить дистанционное зондирование Земли. По сути, это то, что делается у нас при помощи спутника КазКосмос-Ғарыш Сапары за очень большие деньги. Спутники этим не заменить полностью, но дополнить можно. К примеру, можно изучать загрязнение окружающей среды, ведь мы летим сквозь атмосферу, и все время полета можно делать замеры.

Это все намного дешевле, чем запускать спутник. Спутник запускается долго, а пока его запустишь, 30 человек уволятся и надо новых 30 обучать. А тут за 2-3 года проекта обучается инженер, который потом сможет работать в другом месте, то есть, ты обучаешь еще кадры.

— Предположим, Казахстан будет запускать такой стратостат. Какие данные мы сможем собрать в космосе?

— У меня свой шкурный интерес — это изучение межзвездной среды. То есть, мы сможем исследовать, как формируются звезды, а это достаточно сложный процесс, потому что он происходит на совершенно разных масштабах: от 1/300 размера галактики, — это может быть большое молекулярное облако, до размеров Солнечной системы, а это 1/60 000, к тому же при разных температурах, разных плотностях.

— Вы занимаетесь звездной пылью. Вам не одиноко работать в Казахстане?

— Такая проблема существует, и она решается с помощью международного сотрудничества. Я сохранила хорошие отношения со своими предыдущими научными руководителями. Для того чтобы не оказаться в такой ситуации, когда чувствуешь себя одиноко и тебя никто не понимает, я езжу на конференции. Там завожу знакомства, нахожу людей, с кем можно и интересно было бы работать. Так я нашла себе американского, китайско-корейского и французского коллабораторов, и у меня в компьютере есть такое комьюнити. В университете у меня есть профессор, который помогает советом, с ним можно поделиться мыслями. Бывают постдоки, которые очень сильно прикреплены к своему супервайзеру и работают только вдвоем, а я тружусь над своим собственными исследованиями, профессор — над своими, и, когда надо, мы друг другу помогаем. Он мне доверяет, и я делаю ту науку, которая мне интересна. За это ему спасибо. Вообще, это относительно недавнее нововведение в Университете: стали брать постдоков, которые развиваются самостоятельно и приносят в вуз свои проекты.

Многим казахстанским молодым ученым тяжело. Ты приезжаешь на «постдок» (научная работа после защиты докторской диссертации), а тут нет специалиста по тому направлению, в котором ты учился. То есть, ты не можешь продолжить себя совершенствовать под чьим-то крылом, нужно расти самому. А еще, если тебе деньги на это не дают, то ты идешь к кому-то и переделываешь себя. Сейчас очень много таких, кто меняет специализацию, а ведь это столько лет твоего труда! Ты буквально начинаешь с нуля, и потом тебе говорят, что индекс Хирша (индекс цитирования научных публикаций) не такой высокий и так далее, то есть, под вопросом возможности карьерного роста молодого ученого.

— Вы можете сказать, что ваши исследования финансируются Казахстаном достаточно?

— Да. Хотя, конечно, на стратостат мне деньги никто не дал, когда я искала, там немаленькие суммы, но я думаю, что всё еще впереди. Запуск одного большого стратостата, не считая самого телескопа и инструментов, стоит около 400 тысяч долларов. А вот помельче, так сказать, для тренировки, например, для изучения атмосферы, можно запустить и за 20 тысяч. К сожалению, для моих исследований такой недорогой запуск использовать невозможно.

Телескоп — это очень дорого. Сейчас почти ни одна страна не создает телескоп в одиночку, это всегда сотрудничество. И это нормально, ведь это наука. Что касается текущих проектов, то у меня есть данные с разных телескопов благодаря той сети сотрудничества, которую я себе создала, стараюсь регулярно посещать своих коллабораторов, стараюсь их приглашать. Есть также данные в открытом доступе, но обычно они уже кем-то использовались в исследованиях. Финансирование в Назарбаев Университете достаточное, зарплаты хорошие. Я подаю на проектные гранты МОН, на научные поездки, оборудование. Недавно выиграла один грант, есть грант в Университете. У меня работают студенты, участвуют в исследованиях, и я считаю правильным, когда они получают деньги за работу. На грантовые деньги мы сейчас закупаем хорошие ноутбуки, хотим использовать машинное обучение, глубокое обучение, нейронные сети в решении астрофизических задач. У нас маленькая междисциплинарная команда: астрофизик и специалист по нейронным сетям, потому что астрофизикам никуда без компьютеров, а компьютерщикам нужны интересные задачи. Моя работа — это очень много программирования.

— И наш последний традиционный вопрос: казахстанская наука жива или нет?

— Да. Для меня она жива, жизнь кипит.