Тёмная материя в вашем смартфоне

Как использовать смартфон с пользой для науки, а не только для для соцсетей и мессенджеров — рассказывает Мария Осетрова.

Всем привет, я Маша Осетрова и я работаю в проекте «Люди науки». Мы рассказываем, как человек без специальных знаний и особых навыков может поучаствовать в настоящем исследовании. Когда рассказываешь об этом знакомым, многие не верят — так-таки совсем уж никаких знаний? И что, даже голову поломать не придётся? Вообще говоря, в большинстве случаев всё-таки приходится, но сегодня я расскажу о нескольких исследованиях в области физики, для участия в которых никаких знаний не нужно в буквальном смысле — только более-менее современный смартфон.

Детектор на ладони

Помню, как-то в школе один наш преподаватель русского языка пересказал нам жалобу своего знакомого «Представляешь, мой телефон совсем сломался — теперь по нему можно только звонить и принимать звонки!» Тогда это звучало комично, но сегодня представить, что по мобильному телефону действительно можно только звонить, практически невозможно. Однако мы до сих даже не догадываемся о многих возможностях современных телефонов. Огромное множество разнообразных датчиков, которыми они начинены, можно использовать в научных целях.

Понять, насколько мощный научный «многофункциональный инструмент» есть практически у каждого из нас, поможет приложение phyphox. Оно собирает информацию со всех доступных датчиков телефона и позволяет записывать и экспортировать данные. Прежде всего, это известные и понятные нам координаты GPS, значения скорости, ускорения, данные с микрофона. Но в списке есть и более загадочные измерения — исходные данные с гироскопа, интенсивность освещённости, напряженность магнитного поля.

Илл.: phyphox

Помимо «сырых» измерений, есть и инструменты первичной обработки — например, для измерения эффекта Доплера по гудку приближающегося поезда, скорости подъёма лифта или уровня аплодисментов. Последнее, кстати, находится в разделе «повседневная жизнь»: как оказалось, это инструмент, который позволяет объективно оценить выступление участников каких-нибудь соревнований по длине и амплитуде аплодисментов, которые они получают. Довольно удобно!

Как по мне, достаточно интересно даже просто поиграться с различными измерениями, но в образовательных целях можно поставить целый эксперимент, объединяя информацию с разных датчиков. На странице проекта можно найти список готовых экспериментов и видео-инструкции к ним. Там даже можно предложить собственное исследование!

С миру по магниту

Проект CrowdMag, созданный Национальным управлением океанических и атмосферных исследований в США, как раз использует одну из скрытых возможностей смартфона в научных целях, а именно — изучает магнитное поле Земли, получая информацию с магнитометров в телефонах гражданских учёных. Данные, собранные волонтёрами, помогут уточнить существующие магнитные модели и восполнить проблемы в профессиональном картографировании магнитного поля Земли. Это поможет улучшить навигацию для всех.

Илл.: CrowdMag.

Чтобы поучаствовать в сборе магнитных данных, нужно скачать приложение CrowdMag — есть версии и для iOS, и для Android. Оно автоматически определяет местоположение пользователя и сразу предлагает начать записывать магнитные данные. Проверить, правильно ли ориентирован ваш телефон, можно благодаря встроенному компасу. Там же указано, не влияет ли на ваше измерение магнитный шторм или какая-то магнитная аномалия поблизости. Мне повезло, все значения в норме, можно приступить к измерениям. Нажимаю одну кнопку — и всё, приложение само начинает собирать информацию. Можно заварить себе чаю и наблюдать, как накапливаются данные, либо на карте, либо по графикам — приложение записывает напряженность магнитного поля по трём координатам в наноТеслах. Когда вам снова понадобится телефон или просто надоест записывать, данные нужно отправить исследователям.

Илл.: CrowdMag.

После этого можно посмотреть на глобальную карту CrowdMag, на ней обозначены все пользователи, которые были активны в течение последних 24 часов. Ближайший ко мне исследователь магнитного поля Земли сегодня обнаружился где-то на границе Германии и Франции, в США пользователей побольше. По карте видно, что по данным пользователей, напряженность поля уменьшается от полюсов к экватору — ровно так и должно быть, ух ты!

Город засыпает — просыпается учёный

Ещё один проект, который полагается на измерения со смартфонов волонтёров науки, изучает ни много ни мало тёмную материю. Так исследователи называют примерно треть невидимой для нас Вселенной. Что именно она из себя представляет, учёные пока не определились, и одну из версий как раз тестирует проект Чрезвычайно распределённой обсерватории космических лучей (англ. Cosmic Ray Extremely Distributed Observatory – CREDO). Согласно этой гипотезе, тёмная материя — это сверхмассивные частицы, рождённые в ранней Вселенной.

Сами эти частицы увидеть невозможно, но можно увидеть последствия их распада, в результате которого образуется целый каскад частиц, ширина которого больше диаметра Земли.

Схематичное изображение процесса возникновения каскада частиц. Источник: credo.science

Существующим обсерваториям, которые ищут частицы из космоса, сложно зафиксировать эти каскады, поскольку они покрывают крошечную часть поверхности Земли. Но благодаря распределённой сети волонтеров у исследователей есть возможность создать детектор размером с Землю.

Чтобы подключиться к исследованию темной материи, достаточно скачать приложение CREDO. Оно подключается к камере вашего смартфона и фиксирует яркие пиксели, которые возникают на ПЗС-детекторе вашего телефона, когда камера закрыта. Они возникают как раз из-за воздействия тех самых частиц высокой энергии. Поскольку этот анализ требует энергии, удобнее всего включать приложение на ночь, поставив телефон на зарядку и закрыв камеру. Я тестировала приложение несколько ночей, но, к сожалению, ни одной частицы мне поймать не удалось. Однако «турнирная таблица» недавно зарегистрировавшихся пользователей говорит о том, что новичкам удаётся зафиксировать по несколько десятков событий.

Пример изображения частицы высокой энергии, полученного с камеры смартфона. Илл.: Dominika1f/credo.science

Итоги

Мне кажется, что само по себе открытие дополнительных возможностей смартфона зачаровывает — ведь мы не так часто задумываемся, какое сложное оборудование мы на самом деле каждый день носим с собой. И никогда еще подключиться к исследованию тёмной материи не было так просто!