Največja digitalna kamera za najboljši film vseh časov
Skoraj tri tisoč metrov visoko na gori Cerro Pachón v Andih v Čilu raste observatorij Vere Rubin, ki bo posnel »najboljši film vseh časov« o vesolju. »Posneli bomo okoli 40 milijard objektov, prvič bomo v astronomskem katalogu imeli več nebesnih teles, kot je živih ljudi na svetu,« poudarja prof. dr. Željko Ivezić, direktor observatorija in profesor na Univerzi v Washingtonu v Seattlu. Pri projektu sodelujejo tudi sodelavci Univerze v Novi Gorici.
Željko Ivezić je leta 1965 v Sarajevu rojeni hrvaški astrofizik. Kot raziskovalec na Univerzi v Princetonu je deloval pri projektu slikanja neba Sloan Digital Sky Survey (SDSS), za katerega so uporabljali 2,5-metrski širokokotni optični teleskop v observatoriju Apache Point v Novi Mehiki v ZDA. »Šlo je za podoben projekt kot LSST, vendar precej manjši. Takrat sem – ko sem bil še mlad raziskovalec – slišal za novi projekt LSST in pritegnila me je ideja, o kateri nismo niti vedeli, ali je izvedljiva. Dobil sem ponudbo na Univerzi v Washingtonu, ki je sodelovala pri razvoju tega novega idejnega projekta, zasedel sem mesto pomočnika starejšega profesorja, ki pa je po naključju dobil ponudbo s Harvarda. Tako sem nenadoma moral prevzeti naloge projektnega znanstvenika. Projekt je takrat še visel v zraku, vendar je bil dovolj zanimiv in sem se osredotočil nanj. Če nam ideja ne bi uspela, bi še vedno imel možnost, da se vrnem domov k mami v Zagreb (smeh).« Po njem je imenovan asteroid 202930 Ivezić, ki so ga septembra 1998 odkrili v projektu SDSS.
Observatorij Vere Rubin ni le teleskop, ampak kompleksen sistem, sestavljen iz zrcala s premerom 8,4 metra, največje in najzmogljivejše digitalne kamere, ki so jo zgradili za tak tip astronomije, in avtomatiziranega sistema za prenos in obdelavo podatkov. Z observatorijem bodo izvedli desetletje dolgo raziskavo optičnega neba brez primere, imenovano Legacy Survey of Space and Time (LSST). »Naš osnovni cilj je, da pregledamo celotno nebo, ki ga vidimo iz Čila, in izrišemo zemljevid neba. Takšni zemljevidi sicer že obstajajo, ampak naš bo večji in natančnejši. Na njem bo približno 40 milijard galaksij, zvezd in drugih nebesnih teles,« je pojasnil hrvaški astronom. »Celotno južno nebo bomo poslikali v treh nočeh in to znova in znova ponavljali deset let. Nebo bomo tako pregledali okoli tisočkrat. Ključno pri tem je, da bomo lahko slike neba med seboj primerjali in iskali razlike, podobno kot v priljubljeni slikovni igrici 'poišči razlike'. Iskali bomo asteroide, supernove, plimska raztrganja zvezd … Vse, kar se bo v desetih letih spremenilo na nebu, bomo mi zaznali.«
Količina zbranih podatkov bo ogromna. »Te slike bi se lahko vrtele kot film, dobili bi občutek nenehnega spreminjanja. Da bi pogledali vse, kar bomo posneli v desetih letih, bi potrebovali kar 11 mesecev, zato mu zagotovo lahko rečemo največji film vseh časov. Zbrali bomo namreč okoli 100 petabajtov (100 milijonov gigabajtov!) podatkov.«
Podatki projekta LSST se bodo uporabljali za različne raziskave, od katalogizacije potencialno nevarnih asteroidov v bližini Zemlje do temeljne fizike, kot je opredelitev temne snovi in temne energije. »Ko smo astronome, fizike in druge raziskovalce prepričevali, da je observatorij in LSST dober projekt, smo navajali štiri vrste znanstvenih ciljev. Osnovni, s katerim smo tudi prepričali največ ljudi, je kozmološki – proučevanje temne snovi in temne energije, drugi cilj je proučevanje zvezd v naši galaksiji, tretji je raziskovanje tranzientov – torej vsega, kar je kratkotrajno in spreminjajoče se, kot četrti cilj pa smo si zastavili odkrivanje asteroidov. Zdaj jih poznamo manj kot milijon, mi jih bomo že v prvih dveh, treh letih odkrili okoli šest milijonov, med temi bodo tudi Zemlji potencialno nevarni asteroidi. Iz podatkov bodo lahko izračunali orbite asteroidov in dognali, kakšne so možnosti, da trčijo v naš planet. Glavni vzrok, da so se različne institucije odločile za financiranje projekta, pa je bilo raziskovanje kozmološke skrivnosti: ali obstaja temna energija ali ne. Ena razlaga, ki sledi iz astronomskih opazovanj, je, da ta energija povzroča pospešeno širjenje vesolja. To je res, če predpostavimo, da je Einsteinova splošna teorija relativnosti pravilna. V enačbah se pospešeno širjenje vesolja poklopi s to kozmološko konstanto. V resnici pa o fiziki te skrivnostne količine ne vemo nič. Obstaja seveda tudi alternativna razlaga. Astronomi so z različnimi modeli pokazali, da lahko vesolje razložimo tudi brez obstoja temne energije. Morda obstaja majhna napaka v teoriji, ki je privedla do te interpretacije. Danes še ne vemo, katera od teh dveh hipotez je napačna. Za razvozlanje te skrivnosti potrebujemo precej več podatkov o bistveno večjem številu galaksij, kot jih imamo na voljo zdaj, in menimo, da bomo to skrivnost z našim projektom lahko razrešili.«
Vsekakor bo projekt spremenil različna področja astronomije, se strinja sogovornik. »Predvsem pa bo pripomogel tudi k demokratizaciji znanosti v svetu. Podatki bodo skozi naš center za obdelavo podatkov dostopni raziskovalcem po vsem svetu, ki želijo delati vrhunsko astronomijo.« Na voljo pa bodo tudi ljubiteljskim astronomom, dodaja. »To bo podoben program, kot je projekt Galaxy Zoo (Zooniverse), preko katerega lahko kataloge astronomskih podatkov pregledujejo tudi ljubiteljski znanstveniki (citizen science). Program je težko naučiti, kako prepoznati vse lastnosti vesolja, ki jih človeško oko brez težav razpozna, denimo, kako so videti spiralne galaksije. Tudi mi bomo podatke dali na voljo in morda se najdejo reči, ki bi nam sicer lahko ušle.«
Strojno učenje
Pri analizi tako velike količine podatkov se bodo zanašali na metode strojnega učenja. Kot pojasnjuje direktor gradnje observatorija, bo analiza potekala v več korakih, najprej bodo podatke »očistili« napak, jih zapisali v katalog podatkov v njihovem centru, od tam pa bodo na voljo astronomom po vsem svetu.
»Že prenos podatkov iz Čila do centra v ZDA je bil velik tehnološki izziv,« pravi dr. Ivezić. »Pri zasebnem podjetju, ki z optičnimi kabli povezuje Južno in Severno Ameriko, smo kupili kabel, ki po morju teče od Čila do Floride. Nedavno pa smo za rezervo, če bi se ta strgal, sklenili dogovor še z brazilskim podjetjem in kupili kabel, ki potuje od Santiaga v Čilu do Sao Paula in od tam po morju do Floride.«
Moteče mreže satelitov
Astronomi opozarjajo, da mreže satelitov kvarijo pogled v nočno nebo, saj na slikah izrišejo moteče svetle črte. Tudi prof. Ivezić se strinja, da bo vpliv teh mrež na astronomijo negativen. »Kako negativen, je še težko reči, ker ni znano natančno število satelitov in tudi ne, kako svetli bodo. Na slikah v projektu LSST bomo imeli svetleče sledi. Če to pogledamo na slikicah na internetu, je seveda videti grdo, na naših slikah pa bo to pravzaprav zelo ozek trak. Že smo razvili program, da bo te črte prepoznaval in tam odstranil slikovne točke. Po ocenah bo to zneslo en odstotek vseh zbranih pikslov, kar pravzaprav ni katastrofa. Če navedem primer: zvezdo bomo pogledali 1000-krat v desetih letih, na približno desetih slikah bodo sledi satelitov in te bomo morali vreči v smeti.«
Ko bodo podatki v ameriških centrih, jih bodo po besedah dr. Ivezića kalibrirali, da se bodo odpravile vse male napake, ki se bodo na posnetkih pojavile zaradi napak na instrumentih ali spremenjenih vremenskih razmer. »Vsako noč bo ozračje verjetno nekoliko drugačno, že nekaj več vlage lahko pripomore k drugačni sliki. Računalniški program bo nato pregledal vse objekte in izmeril, kje točno so na sliki, kako so svetli, z različnimi filtri bomo lahko določili, kakšne barve so. To ogromno količino podatkov o lastnostih posameznega nebesnega telesa bomo zapisali v katalog in tu se osnovna obdelava podatkov sklene. Znanstvene analize podatkov bodo potem opravljali astronomi, med njimi tudi kolegi z Univerze v Novi Gorici. Ta analiza bo odvisna od primera do primera, večinoma jo bodo izvajali v svojih programih, ki pa jih bodo lahko naložili v naš podatkovni center,« razlaga.
»Strojnega učenja bo ogromno. Če naš zbir podatkov prikažem v številkah: vsako nebesno telo bomo opazovali okoli 1000-krat, pri vsakem bomo izmerili različne lastnosti, za vsak posamezen objekt bomo imeli približno 10.000 številk. Imeli bomo nekakšen 10.000-dimenzionalni prostor in v njem okoli 40 milijard posameznih objektov. Tega človeški možgani nikakor ne morejo interpretirati. S strojnim učenjem pa bomo lahko vse to razvrstili v različne skupine objektov. Najzanimivejši bodo tisti, ki jih ne bomo mogli poriniti v nobeno skupino, ki ne bodo podobni ničemur, kar poznamo do zdaj,« še nadaljuje dr. Ivezić.
V projektu tudi naš superračunalnik Vega
Center za astrofiziko in kozmologijo Univerze v Novi Gorici sodeluje pri projektu LSST vse od konca leta 2016, pojasnjuje prof. dr. Andreja Gomboc. »Smo del LSST znanstvene skupine za tranziente in spremenljive zvezde in skupine za temno energijo. Najbolj nas zanimajo tranzienti oziroma plimska raztrganja zvezd v bližini črnih lukenj, dogodki gravitacijskih valov in eksplozije supernov, še posebej gravitacijsko lečene supernove in njihova uporaba pri merjenju hitrosti širjenja vesolja. Doslej smo opravili simulacije opazovanj plimskih raztrganj zvezd in supernov, ki so pomagale usmerjati izbiro najprimernejše opazovalne strategije. Polni dostop do podatkov pa smo si pridobili z razvojem posebnega filtra za identifikacijo plimskih raztrganj zvezd v LSST-podatkih in vzpostavitvijo podatkovnega središča na HPC Vega za hrambo in obdelavo dela LSST-podatkov Lite IDAC.« Dr. Andreja Gomboc še dodaja, da so strokovnjaki iz observatorija Vere Rubin (Željko Ivezić, Mario Jurić, Andrew Connolly, vsi z Univerze v Washingtonu) tudi sodelujoči pri Smashu, evropskem projektu Cofund, ki ga vodi UNG. Eden od sklopov tega projekta je uporaba metod strojnega učenja pri analizi podatkov iz observatorija Vere Rubin oziroma projekta LSST.
Sistem obvestil
Predvsem pri tranzientih – od izbruhov sevanja gama, supernov do plimskih raztrganj zvezd in podobnega – je zelo pomembno, da astronomi informacijo o dogodku izvedo čim prej, da nato proti viru usmerijo še druge vrhunske teleskope na svetu. V manj kot minuti bodo lahko informacije posredovali tudi iz observatorija Vere Rubin. »Mi bomo delali neprekinjeno. Čeprav bomo opazili te zanimive kratkotrajne dogodke, se ne bomo osredotočali nanje, ampak bomo nadaljevali slikanje celotnega neba. Predstavljajte si to kot polaganje ploščic v kopalnici: ko bomo začeli, bomo delali do konca,« se zasmeje profesor astronomije. »Ti podatki bodo avtomatsko romali v ZDA, kjer bo naš center za njihovo obdelavo. Nova slika se bo primerjala s prejšnjimi. Če bo računalnik zaznal spremembo, se bo to nemudoma objavilo na spletu. Naš program za komunikacijo je podoben bančnim sistemom, ki beležijo transakcije po vsem svetu. Obvestila bodo na voljo v manj kot minuti, nekaj sekund bo trajalo, da pride slika do Kalifornije, okoli 40 sekund bo potrebnih za obdelavo, nato bo že na voljo na spletu. Na noč bomo verjetno izdali okoli tisoč obvestil.« Da bi dokončno razpoznali, za kakšen dogodek gre, bodo uporabili še druge teleskope, za obdelavo podatkov observatorija Vere Rubin pa različne klasifikacijske filtre.
Pri slikanju neba se torej ne bodo ustavljali, razen če jih bodo »zmotili« gravitacijski valovi. »To je tako, kot bi nekdo med polaganjem ploščic prišel z dobro malico. (Smeh.) Število zaznanih gravitacijskih valov z Ligom ali Virgom ni veliko. Če nam bodo oni poslali signal, bomo teleskop obrnili v smer potencialnega vira. Ligo in Virgo zaznata posledico trka dveh masivnih objektov, ne moreta pa natančno določiti, kje na nebu se je to zgodilo. Naš observatorij bo imel največje vidno polje od vseh velikih teleskopov. V uri ali dveh bomo lahko pokrili območje, od koder naj bi izviral signal. Z drugimi teleskopi, ki imajo približno 100-krat manjše vidno polje, bi potrebovali 100-krat več časa, namesto ure ali dveh bi potrebovali od 100 do 200 ur, da bi našli morebiten vir gravitacijskih valov. To pomeni, da bi tega iskali vsaj deset noči, v tem času pa bi tranzient [na primer morebiten optični signal trka] že izginil.«
Webb in drugi vesoljski teleskopi
Vesoljski teleskop James Webb je, kot spomni Željko Ivezić, eden od dveh naslednikov Hubbla. Drugi bo vesoljski teleskop Nancy Grace Roman. »Ta bo imeli okoli 100-krat večje vidno polje, kot ga ima Hubble. Roman bo bolj podoben observatoriju Vere Rubin, saj bo nebo opazoval širokokotno. Webb pa je v tem primeru bolj kot mikroskop. Če bi preučevali ptice, bi z Vero Rubin poslikali celotno drevo, Webb pa bi nato naredil povečavo ene veje ali ptice. Vsekakor bo Webb dopolnjeval naše podatke. Če bomo mi odkrili kaj zanimivega, bodo z Webbom lahko natančneje pregledali objekt.«
Presežki in težave
Observatorij v rokah že drži rekord za največjo digitalno kamero. Velika je kot manjši avto, tehta več kot tri tone, njena ločljivost je 3200 megapikslov (3200 milijonov slikovnih točk). Resolucija bo tako velika, da bi brez težav videli podrobnosti žogice za golf, ki bi bila oddaljena 24 kilometrov. »Naše zorno polje je 100-krat večje od tipičnega velikega teleskopa. Ker je 100-krat večje, potrebujete tudi 100-krat več detektorjev, in tako smo izračunali, da potrebujemo 3200 megapikslov. Druge kamere jih imajo 50, 100. Poleg tega mora kamera delovati izjemno hitro. To je bila tehnološko ena najtežjih nalog pri projektu. Naša kamera ima tudi največjo lečo na svetu, široka je 1,6 metra. Posebej za kamero smo morali pripraviti sistem za hlajenje, zrak v kupoli se ne sme segrevati, ker lahko njegovo migetanje pokvari kakovost slike. S sistemom smo imeli veliko težav,« pravi in malo za šalo, malo zares doda, da je pri projektu šlo narobe vse, kar bi narobe lahko šlo.
»Začelo se je že pri gradnji. Ko so geologi proučevali teren – observatorij mora biti na trdnih temeljih, saj vibracij ne sme biti –, so vzeli vzorce na treh točkah in potrdili, da je površje granitno. Ko pa smo začeli kopati za temelje, smo odkrili, da gre za mešanico granita in gline. Geologi so imeli pač to srečo, da so zadeli točke le z granitom. Tako smo morali izkopati ves material in ga zaliti z betonom. Pozabil sem že natančno številko, koliko tovornjakov betona smo morali pripeljati na 3000 metrov visoko goro.«
Nedavno so odkrili, da je omenjeni sistem za hlajenje kamere nestabilen. »Zaradi teh nestabilnosti se je sistem avtomatsko ugašal. Po enem letu problemov smo ga popolnoma spremenili. Starega smo razstavili in vgradili novega, ki ga zdaj znova testiramo. Računamo, da bo zdaj vse v redu.«
Gradnjo je zavlekla tudi pandemija. »Načrte smo naredili v ZDA, najboljše izvajalce za kovinske dele teleskopa pa smo našli v Španiji in za kupolo v Italiji. Dela bi morali končati že pred pandemijo, vendar se je vse zamaknilo, tujci v Čile zaradi ukrepov niso smeli. Šele pred mesecem so Španci dokončali teleskop, na Italijane pa zdaj pritiskamo, da dokončajo do konca leta.«
Tako bo teleskop prvo svetlobo zagledal čez približno eno leto. Še šest mesecev bodo potrebovali, da bodo observatorij umerili in lahko začeli projekt LSST. »Trenutno sem bolj kot na znanstvene cilje osredotočen na to, da dokončamo gradnjo in začnemo projekt. Potem se bom vrnil na svoje profesorsko mesto v Seattlu, tam bom delal s polovičnim delovnim časom, pol leta bi rad bil v Zagrebu. Delal bom še pet, šest let, no, dokler mi ne bo presedlo (nasmeh), potem se bom upokojil,« še pravi dr. Željko Ivezić.
