05.06.2025

Dźwięki kosmosu i sonifikacja danych: jak brzmi Wszechświat? 

Otaczają nas fale akustyczne, których często nie słyszymy – ale czy możemy „usłyszeć” kosmos? Dzięki metodom takim jak sonifikacja danych i astroakustyka coraz lepiej poznajemy dźwięki kosmosu i ich wpływ na naukę. Pytanie, postawione w tytule, na pierwszy rzut oka sprawia wrażenie prostego. Bez większego zastanowienia możemy odpowiedzieć, że muzykę, głos, czy inne dźwięki. No właśnie, dźwięki! Skupiamy się na takich, które coś dla nas oznaczają lub czymś się wyróżniają, np. gdy słuchamy muzyki, którą lubimy albo słyszymy nadjeżdżającą karetkę będąc w samochodzie. Pomyślmy, jak wiele dźwięków ignorujemy. Idziemy zamyśleni ulicą i słyszymy, że inni ludzie rozmawiają, jadą samochody, gdzieś w oddali być może słychać młot pneumatyczny, szum wiatru, czy śpiew ptaków. Wydaje się, że nie wszystkie te dźwięki nas dotyczą. Ale czy tak jest naprawdę?

 

Jak działa dźwięk i fale akustyczne? 

Czas na powtórkę z lekcji fizyki. Dźwięk jest to fala akustyczna, a więc cząsteczka wprawiona w drgania, przekazuje drgania cząsteczce obok, ta następnej i tak dalej. Kiedyś, aby usłyszeć dźwięk nadjeżdżającego pociągu na długo zanim go zobaczyliśmy, trzeba było przyłożyć ucho do torów. Im gęściej ułożone cząsteczki, tym szybciej dźwięk się przemieszcza. Dlatego właśnie fale akustyczne mogą docierać do naszych uszu, czy to od struny instrumentu na drugim końcu sali koncertowej, czy od membrany głośnika tuż obok nas, czy wydobywający się z ust innej osoby. Poza tym, że dźwięk jest oczywiście falą akustyczną, jest również przykładem na idealne dobranie proporcji matematycznych, co pozwala na jego wykorzystanie na przykład w medycynie, w leczeniu zarówno chorób psychicznych, jak i różnych układów czy narządów. Muzyka to nie tylko piękne brzmienia, połączone w sposób swobodny i spontaniczny ze sobą. Teoria muzyki i harmonia pokazują, że na ostateczne brzmienie i inne efekty uzyskane przez autora ma wpływ wiele skomplikowanych mechanizmów, dopasowania dźwięków i współbrzmień. No dobrze, wciąż mówimy o dźwiękach, nad którymi możemy mieć jakąś kontrolę - wyjść z koncertu, wyłączyć głośnik, kazać komuś milczeć. Czy to znaczy, że jesteśmy odporni a dźwięk?

 

Fale akustyczne w przyrodzie i nauce

W żadnym wypadku! Każda cząsteczka istniejąca we Wszechświecie, to element materii, która drga, a więc emituje fale akustyczne. Nie zawsze jesteśmy w stanie ten dźwięk usłyszeć, ponieważ nasze uszy mają określone progi słyszalności. Wiążą się one ściśle z długością fali dźwiękowej. Im dłuższa fala, tym niższy dźwięk. Zbyt niskich dźwięków nie damy rady usłyszeć, ale zbyt wysokich też nie. To nie znaczy jednak, że jeśli czegoś nie słyszymy, to na nas nie oddziałuje. My także składamy się z materii, więc także drgamy, każdy w swoim tempie. Drgają inni ludzie, zwierzęta, przedmioty, powietrze wokół nas, a wszystkie te drgania docierają do nas i nam je przekazują. W 1940 roku miała miejsce katastrofa w Tacomie w Stanach Zjednoczonych, gdzie wiatr wprawił w ruch niedawno zbudowany most, który zaczął rytmicznie się kołysać, aż w końcu runął. Innymi słowy, zaszło zjawisko rezonansu. Most zaczął przejmować częstotliwości drgań cząsteczek wiatru i bujać się razem z nim. Podobnie jest z nami – różne częstotliwości mogą w różny sposób oddziaływać na nasz organizm.

W momencie, gdy pojmiemy, że jesteśmy wypełnieni dźwiękiem i wszystko, co nas otacza także, zaczynamy sięgać dalej, szukać jego podstaw. Warto w tym celu odlecieć trochę od Ziemi. Pierwsza nasza podróż odbędzie się… w czasie. Udajemy się około 14 miliardów lat wstecz, do momentu Wielkiego Wybuchu. Towarzyszył mu bardzo głęboki bas, którego drgania można by porównać do trzęsienia Ziemi 9. stopnia w skali Richtera. Dzięki analizie statystycznej kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła udało się dowieść, że nowo narodzony Wszechświat wypełniony był dźwiękiem, którego echo dostrzegamy dziś jako „słaby szept” - jak go określił Paul Murdin w książce „Wszechświat Biografia” - w układzie galaktyk. „Nie rozbrzmiewał w nim tylko jeden ton, na przykład taki, jaki wytwarza flet, ale cały ich zakres – można to porównać do dźwięku, jaki wytwarza strumień ziaren piasku osypujących się na bęben.”¹ Obok grawitacji, również ciśnienie miało swój udział w tworzeniu zagęszczeń materii, za pomocą fal dźwiękowych. Z czasem plazma przekształciła się w elektrycznie obojętny gaz, który już nie oddziałuje z promieniowaniem tak silnie, więc fale akustyczne wygasły. Szeptem, o którym wspomina Paul Murdin jest przypadkowe, ale zawierające się w pewnych wzorach drgań rozmieszczenie galaktyk we Wszechświecie, czyli zagęszczenia, które znajdują się w promieniu 500 milionów lat świetlnych od siebie.

Wiemy już, że tu na Ziemi, nie usłyszymy muzyki Wszechświata… a raczej nie usłyszymy jej bezpośrednio. Z pomocą przychodzą nam astroakustyka oraz sonifikacja. Co prawda przestrzeń kosmiczną wypełnia próżnia, ale ciała niebieskie, jakie znamy, składają się z materii, która drga. Tymi drganiami zajmuje się właśnie astroakustyka. Na przykład badając fale akustyczne Słońca, możemy zbadać jego wnętrze, lub poznać właściwości wiatrów słonecznych, których skutki często dostrzegamy na Ziemi i dzięki temu łatwiej nam zrozumieć pewne zjawiska. Także w rzadkiej atmosferze Marsa słyszalne są dźwięki. Łaziki wyposażone są w urządzenia zapisujące dźwięk, a nagrania są dostępne, więc możemy porównać dźwięk wiatru na Marsie, z tym ziemskim.² Aby zrozumieć znaczenie fal akustycznych w skali kosmicznej, należy rozejrzeć się w różnych kierunkach, na przykład w stronę naszego Słońca. Słoneczne fale akustyczne o częstotliwościach poniżej 5.3 mHz są podstawą do badania jego wnętrza.³ Fale akustyczne wskazują między innymi na obecność wiatru słonecznego zauważalnego wśród fal grawitacyjnych. Innowacyjna metoda Solar Wind Sounding through Pulsar Timing pozwala analizować i monitorować właściwości oraz zmiany wiatru słonecznego. Bada ona opóźnienia w odbieraniu impulsów pochodzących od pulsarów, spowodowanych wiatrem słonecznym. Przedstawiane one są też jako dźwięki, które badane pod kątem harmoniczności, struktury czy zmienności w czasie, przedstawiają różne cechy wiatru słonecznego, jak gęstość czy prędkość, co bardzo często pozwala lepiej zrozumieć dane zjawiska, odkryć ukryte wzorce lub relacje.⁴

 

Sonifikacja danych astronomicznych – jak słyszymy kosmos?

Poza nagraniami oryginalnych dźwięków, w Internecie dostępne jest bardzo dużo takich, które prezentują nam dane planety, gwiazdy czy zjawiska w formie muzyki. Wiemy, że na pewno nie udało się ludzkości dotrzeć do odległych galaktyk. Skoro jednak nie jesteśmy w stanie usłyszeć dźwięków niektórych z nich, to w jaki sposób one powstały? Otóż istnieje praktyka „tłumaczenia” fal elektromagnetycznych i radiowych na akustyczne. Praktyka ta, zwana sonifikacją, od kilku lat prężnie rozwija się w zakresie kosmosu. Powstał specjalny projekt zajmujący się tłumaczeniem jedynie pozaziemskich fal elektromagnetycznych i radiowych. Pomaga to nie tylko w doświadczeniu za pomocą zmysłów tego, czego dostrzec nie możemy, ale przede wszystkim staje się alternatywą dla osób niewidomych, pozwala im poznać to, co my mamy zobrazowane również na zdjęciach. Projekt ten nazywa się System Sounds i został stworzony przez trzech Amerykanów związanych z muzyką i astronomią: Andrew Santaguida, Matta Russo i Dana Tamayo.⁵ Dźwięki, które słyszymy na tego typu nagraniach są, można powiedzieć – niezwykłe z muzycznego punktu widzenia. Ponadto dźwięk bardziej niż obraz potrafi pobudzić wyobraźnię, co pozwala jeszcze bardziej przybliżyć nam to, co tak odległe. W większość miejsc nigdy nie będziemy w stanie dotrzeć, ale nadal możemy je badać, a przy użyciu określonych narzędzi łatwiejsze będzie zrozumienie wszystkich docierających do nas danych.

Jak to w ogóle działa? Różne rodzaje fal również mają swoje częstotliwości. Oczywiście nasze oko nie jest w stanie zobaczyć np. fal magnetycznych, jednak urządzenia, które badają dane obiekty zapisują wszystkie dane dotyczące różnego rodzaju promieniowania. Po otrzymaniu danych, można do określonych fal dopasować fale dźwiękowe o tej samej częstotliwości, oczywiście w ramach progu słyszalności przez człowieka. Można je potem przypisywać do dźwięków gamy i układać w określonej kolejności, tworząc muzykę.⁶

To tylko jedna z metod. Można w podobny sposób ułożyć rytm, w jakim poruszają się planety wokół gwiazdy. Tutaj istotne znaczenie mają proporcje prędkości ich obiegu, które następnie dopasowuje się do wartości rytmicznych. Zostało to wykonane na przykładzie układu Trappist 1, odległego od nas o ok. 39 lat świetlnych, zawierającego gwiazdę oraz okrążające ją 7 planet, z czego 4 to egzoplanety, czyli planety bardzo podobne do Ziemi, na których być może znajduje się jakieś życie. Na nagraniu dźwięk pianina jest przypisany za każdym razem, kiedy planeta minie gwiazdę, a dźwięki perkusji za każdym razem gdy planety sąsiadujące mijają się wzajemnie.⁷

Można również sonifikować całe układy planetarne, czy galaktyki. Tu dobrym przykładem jest galaktyka Messier 104, zwanej Galaktyką Sombrero, która znajduje się od nas w odległości około 30 mln lat świetlnych. Dane z trzech różnych teleskopów zostały przedstawione za pomocą różnych instrumentów – promieniowanie rentgenowskie jako syntezator, promieniowanie podczerwone jako instrumenty smyczkowe i światło widzialne jako dźwięki podobne do dzwonków. Na koniec wszystkie te dźwięki dają pełen muzyczny obraz galaktyki.⁸

Jednym z ciekawszych dźwięków, jakie może nam dostarczyć Wszechświat, jest dźwięk czarnej dziury pochłaniającej drugą. Czarne dziury to jedne z najbardziej interesujących zjawisk we Wszechświecie. Powstają, gdy gwiazda wypali swoje paliwo i zacznie się zapadać. Mają bardzo dużą masę i przez to również bardzo dużą siłę grawitacji. Jest ona tak wielka, że jeżeli coś za bardzo zbliży się do czarnej dziury, nie jest w stanie od niej uciec, nawet światło, lub inne czarne dziury, więc zdarza się, że mogą się nawet nawzajem „pożerać”. Powstają przy tym bardzo silne fale grawitacyjne, czyli fale, które dosłownie potrafią zaginać czasoprzestrzeń, choć trudno nam sobie to wyobrazić. Dźwięk powstały po przetłumaczeniu takiego zjawiska został nazwany po angielsku „chirp”, co na polski przetłumaczylibyśmy jako „świergot”.⁹

Dźwięki kosmosu i ich znaczenie w badaniach naukowych

Wiemy więc, że otacza nas dużo więcej dźwięków niż te, które słyszymy w słuchawkach, a każdy z nich coś oznacza i na nas wpływa. Czasem są to dźwięki przyjemne, rozpoznawalne i poukładane, a czasem drażniące i chaotyczne. Jak może grać kosmos? Czy muzyka wszechświata może przypominać taką, jaką znamy tu na Ziemi, czy może być jeszcze ciekawsza? Przede wszystkim sama wizja stworzenia muzyki na podstawie częstotliwości innych planet, ciał niebieskich i zjawisk jest już przełomowa. Będzie można z użyciem kosmicznej skali zbadać jej wpływ na ludzki organizm. Ponadto będzie można w praktyce przetestować, w jakich gatunkach czy stylach sprawdzi się ta skala, jaki będzie jej odbiór, a być może nawet stworzyć nowe gatunki. Ogrom badań i rozwinięć tego tematu pozwoli na wykroczenie poza ziemskie pojmowanie muzyki. Pozwoli nam odnaleźć naturalne rytmy i melodie naszego Wszechświata. Będziemy mogli sprawdzić, co nas z nim łączy i z czego wywodzi się nasza wewnętrzna muzyka. Wszechświat można nie tylko oglądać, ale i „usłyszeć”. Dzięki metodom takim jak astroakustyka czy sonifikacja danych astronomicznych, dźwięki kosmosu stają się dostępne dla naszych zmysłów i otwierają nowe możliwości w badaniach naukowych, edukacji i sztuce. Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej – sprawdź nasze zajęcia w PCN Łukasiewicz i odkrywaj akustyczną stronę nauki.