Nauka

Siadaj i badaj

Ogród pełen galaktyk

Dwie galaktyki spiralne na kursie kolizyjnym. Gwiazdozbiór Panny. Dwie galaktyki spiralne na kursie kolizyjnym. Gwiazdozbiór Panny. NASA
Dzięki Internetowi każdy z nas może uczestniczyć w prawdziwych badaniach naukowych nie ruszając się z domu. I mieć z tego satysfakcję oraz niemałą przyjemność.
Wielka Niedźwiedzica. Zderzenie dwóch galaktyk. Odległość - 0,5 mld. lat świetlnych od ZiemiNASA Wielka Niedźwiedzica. Zderzenie dwóch galaktyk. Odległość - 0,5 mld. lat świetlnych od Ziemi
Galaktyka Kijanka w gwiazdozbiorze Smoka, 420 milionów lat świetlnych. Jedno jej ramię jest rozciągnięte na odległość 280 tys. lat świetlnych w wyniku kolizji z kompaktową galaktyką widoczną z lewej górnej strony.NASA, H. Ford (JHU), G. Illingworth (USCS/LO), M. Clampin (STScl), G. Hartig (STScl) and ESA/materiały prasowe Galaktyka Kijanka w gwiazdozbiorze Smoka, 420 milionów lat świetlnych. Jedno jej ramię jest rozciągnięte na odległość 280 tys. lat świetlnych w wyniku kolizji z kompaktową galaktyką widoczną z lewej górnej strony.

Naukowcy zaczynają gubić się w gąszczu gromadzonych informacji – źródłem tej szokującej wiadomości nie jest żaden brukowiec, lecz prestiżowy tygodnik naukowy „Science”. Większość ankietowanych przez niego badaczy operuje na zbiorach danych wielkości ponad gigabajta, zaś co piąty przetwarza setki gigabajtów, a nawet terabajty. Dziś, kiedy terabajtowe dyski są montowane w zwykłych laptopach, nie wydaje się to imponujące, ale pamiętajmy, że gigabajt to tyle informacji, ile z grubsza zawiera wielotomowa encyklopedia.

Wielu przechowuje wyniki badań tylko we własnych laboratoriach, ale jedynie nieliczni mają pieniądze na ich fachowe archiwizowanie. Jednocześnie ponad 70 proc. stwierdza, że ich własne dane są niewystarczające – i szuka uzupełnień u kolegów. Przepływ informacji jest jednak utrudniony, a często wręcz niemożliwy ze względu na wielką różnorodność zarówno jej nośników, jak i programów służących do zapisu danych oraz ich odczytywania. Co więcej, niepełna dokumentacja tych programów to raczej reguła niż wyjątek.

Fizycy wyraźnie usłyszeli alarmowy dzwon, gdy jeden z zespołów badających właściwości cząstek elementarnych zapragnął skorzystać z wyników eksperymentu zakończonego ćwierć wieku temu. Ich odnalezienie i odczytanie zajęło prawie dwa lata! Rzecz tym bardziej pikantna, że kierownik zespołu (obecny dyrektor Instytutu Fizyki Maxa Plancka w Monachium Siegfried Bethke) brał udział w oryginalnym eksperymencie jako świeżo upieczony doktor i część danych, za którymi przyszło mu się uganiać, zebrał osobiście. Podobne przypadki mogą się powtarzać. Nierzadko zdarza się bowiem, że po zakończeniu skomplikowanego eksperymentu prowadzący go zespół (zwykle międzynarodowy) rozwiązuje się, osierocając uzyskane dane, które po kilku latach rozpraszają się dosłownie po całym świecie.

Tymczasem ilość danych potencjalnie nadających się do powtórnego wykorzystania rośnie w tempie przyprawiającym o zawrót głowy. Z samego tylko akceleratora LHC, pracującego od ponad roku w CERN pod Genewą, wypływa średnio około 40 terabajtów na dobę. Teleskop LSST, który za kilka lat zacznie pracować w Chile (POLITYKA 13/10), będzie generował „zaledwie” ćwierć terabajta na każdą obserwacyjną noc, ale i tak zarządzanie tą lawiną informacji jest jednym z najpoważniejszych problemów, jakie muszą rozwiązać jego konstruktorzy.

Podpatrywanie astronomów

W odpowiedzi na wyzwania zasygnalizowane przez przygodę Bethkego fizycy utworzyli w 2009 r. międzynarodowy zespół DPHEP (Data Preservation and Long Term Analysis in High Energy Physics), który ma opracować spójny system archiwizacji i udostępniania wyników badań prowadzonych w różnych laboratoriach. O konieczności archiwizowania danych nie trzeba nikogo przekonywać: dla wszystkich jest jasne, że mogą się w nich kryć odpowiedzi na pytania, których dzisiaj jeszcze nikt nie potrafi sformułować. Zasadniczym problemem są jak zwykle pieniądze. Według DPHEP sam tylko CERN musiałby przeznaczać na ten cel ponad 90 mln dol. rocznie. Obok finansowych piętrzą się oczywiście niebagatelne problemy logistyczne.

Trochę nieoczekiwanie dla siebie samych fizycy znaleźli wzory do naśladowania u astronomów. Po pierwsze, już od ponad 30 lat praktycznie wszystkie wyniki obserwacji astronomicznych są zapisywane w standardowym formacie FITS (Flexible Image Transport System). Po drugie, znaczna większość danych (w tym dane uzyskane poprzez NASA i ESA) jest publicznie udostępniana rok po ich uzyskaniu. NASA zapewnia nawet nieskromnie, że będzie je udostępniała „nieograniczenie długo”. Po trzecie, instytucje astronomiczne jako pierwsze zachęciły internautów do analizowaniu danych za pomocą komputerów osobistych. Miłośnicy astronomii zainteresowani udziałem w autentycznych badaniach naukowych mogą dołączyć do któregoś projektu z serii @home lub Zooniverse i – nie ruszając się z domu – odbywać długie wycieczki w kosmos.

Fizykom trudno będzie skopiować to wszystko bez zmian – choćby dlatego, że dwa eksperymenty przeprowadzone na tym samym akceleratorze mogą się różnić nieporównanie bardziej niż dwie obserwacje wykonane za pomocą różnych teleskopów. Sami mówią jednak, że nad rozwiązaniami przyjętymi przez astronomów warto się zastanowić. Udostępnienie dużych zbiorów danych amatorom i umożliwienie im udziału w badaniach było ruchem równie odważnym co założenie Wikipedii. Wbrew opiniom sceptyków okazał się on niezwykle skuteczny, o czym świadczą miliony zaangażowanych internautów i wartościowe wyniki osiągnięte przy ich pomocy.

Pierwszą taką inicjatywą był działający od 12 lat projekt Seti@home, którego uczestnicy poszukują sygnałów nadawanych przez cywilizacje pozaziemskie. Dane pochodzą z 305-metrowego radioteleskopu w Arecibo na Puerto Rico (dzięki niemu Aleksander Wolszczan odkrył pierwsze planety pozasłoneczne) i napływają w tempie prawie 2,5 GB na godzinę. Przedsięwzięciu patronuje jeden z najlepszych uniwersytetów amerykańskich – University of California w Berkeley.

Seti@home można traktować z przymrużeniem oka, ale działający na takich samych zasadach i uruchomiony w 2000 r. Folding@home jest już czysto naukowym programem nastawionym na badania z dziedziny dynamiki molekularnej. Młodszy od niego o pięć lat Einstein@home analizuje sygnały z detektorów fal grawitacyjnych, znajdujących się w stanach Waszyngton i Luizjana, zaś od 2007 r. działa projekt MilkyWay@home, którego uczestnicy odtwarzają trójwymiarową strukturę naszej Galaktyki (Drogi Mlecznej).

Pełna lista projektów @home znajduje się na stronie http://distributedcomputing.info/projects.html. Ich uczestnicy udostępniają naukowcom swoje komputery, które po zainstalowaniu odpowiedniego oprogramowania pracują pod dyktando centralnego serwera (z reguły tylko wtedy, kiedy nie wykonują żadnych innych zadań). Informacje o postępach obliczeń nie są dostępne na bieżąco – trzeba się po nie wybrać na stronę domową projektu.

Niemal jednocześnie z MilkyWay @home rozpoczął działalność opracowany w University of Oxford projekt Galaxy Zoo, który szybko przekształcił się w prowadzącą wielokierunkowe badania platformę Zooniverse (jej nazwa to zgrabna, lecz niestety nieprzetłumaczalna na polski gra słów zoo, zoom i universe).

Filozofia projektów administrowanych przez jej założycieli jest zupełnie inna: na pierwszym miejscu stoją nie domowe komputery, lecz ich właściciele. Dla przykładu – uczestnicy Galaxy Zoo klasyfikowali galaktyki sfotografowane podczas przeglądu nieba SDSS (Sloan Digital Sky Survey). Byli niezastąpieni, bowiem dzięki zdolności szybkiej percepcji kształtu człowiek ciągle jeszcze wygrywa na tym polu z komputerem. Organizatorzy udostępnili milion zdjęć spodziewając się, że ich przeglądanie potrwa mniej więcej dwa lata. Wielkie było ich zdziwienie, gdy już niebawem odbierali 70 tys. klasyfikacji na dobę! Dziś Zooniverse ma prawie 400 tys. uczestników biorących udział w pracach ośmiu grup badawczych, z których tylko jedna („Dawna pogoda”) nie zajmuje się zagadnieniami astronomicznymi (patrz: ramka).

Co jest źródłem tak wielkiego sukcesu i czym tłumaczyć tak duże zainteresowanie astronomią? Wydaje się, że internautów przyciąga przede wszystkim możliwość autentycznej pracy naukowej i bliskiego obcowania z badanymi obiektami (pośrednictwo komputera jest bez znaczenia – nawet zawodowcy oglądają dziś przedmioty swych badań raczej na ekranie niż w naturze). Zaś osobniczy pociąg do ciał niebieskich jest na ogół silniejszy niż zainteresowanie najwspanialszymi nawet białkami czy archiwalnymi obserwacjami meteorologicznymi. (Niewątpliwie, jeśli fizycy zdołają uporządkować swoje dane i udostępnić je w sposób równie przystępny jak astronomowie w Zooniverse, to i oni doczekają się licznego grona oddanych kibiców, którzy pomogą im badać fundamenty materialnej rzeczywistości).

Praca w Zooniverse przypomina trochę grę komputerową, a trochę przeglądanie starego albumu ze zdjęciami przodków. Z punktu widzenia nauki jest jednak jak najbardziej poważna, czego dowodzi szybko wydłużająca się lista publikacji, które bez udziału paruset tysięcy ochotników w ogóle by się nie pojawiły albo powstałyby dużo później, i to zapewne w znacznie okrojonej formie. Nierzadko wiążą się też z nią bogate doznania estetyczne.

Aby się o tym przekonać, zajrzyjmy na stronę http://www.zooniverse.org/home. Od razu mała niespodzianka – spora część wyświetlanego na niej tekstu jest napisana po polsku. To zasługa rodzimych entuzjastów Zooniverse, skupionych wokół Centrum Fizyki Teoretycznej PAN i portalu Astronomia.pl. Wybierzmy zakładkę „Galaxy ZOO – understanding cosmic mergers”. Przywita nas na niej piękne zdjęcie zderzających się i zlewających galaktyk (niestety, jego rozdzielczość jest za mała, by je tutaj pokazać). Ich barwy są mniej więcej naturalne – takie, jakie ujrzałoby ludzkie oko odbierając wysyłaną przez te obiekty mieszaninę fal świetlnych.

Zjedzone sąsiadki

Więcej kolorowych podobizn można obejrzeć pod zakładką „Galeria”. Są nie tylko piękne, ale i niezwykle wymowne, bowiem w astronomii kolor obiektu niesie informację o jego naturze. Błękitna poświata pochodzi z obszarów, w których obłoki rozrzedzonej materii międzygwiazdowej zostały silnie ściśnięte wskutek zderzenia, po czym zapadły się pod wpływem własnej grawitacji i przed astronomiczną chwilą (czyli parę milionów lat temu) przekształciły się w jasno świecące gwiazdy.

Pomarańczowe zabarwienie mają te części galaktyk, do których wstrząs zderzenia jeszcze nie dotarł. Znajdują się tam stosunkowo słabe gwiazdy o niewielkich masach i wieku porównywalnym z wiekiem Słońca. Nieregularne, brunatne smugi na niebieskim lub pomarańczowym tle wskazują miejsca, gdzie proces zagęszczania materii dopiero się rozpoczął. Najdalej za kilka milionów lat rozbłysną w nich nowe gwiazdy, malując swoje otoczenie na kolor jasnobłękitny.

Mamy wykonać symulacje numeryczne, których celem jest odtworzenie obserwowanych kształtów, położeń i orientacji zderzających się galaktyk. Brzmi to groźnie, ale nie dajmy się zastraszyć: będzie łatwiej niż w niejednej grze komputerowej. Umieszczone pod zakładką „Nauka” wprowadzenie poinformuje nas, jaką rolę odegrały kolizje galaktyk w ewolucji Wszechświata i dlaczego warto się nimi zajmować.

W wielkim skrócie – duże galaktyki rosły pochłaniając swoje mniejsze sąsiadki. Epizody takiego kanibalizmu nadal przytrafiają się naszej Drodze Mlecznej, którą otaczają rozszarpane (chciałoby się powiedzieć „niestrawione”) resztki galaktycznego drobiazgu. Jeszcze tylko krótki kurs symulowania pod zakładką „Jak wziąć udział” – i możemy zaczynać. Konstruowane przez nas modele galaktyk dają się obracać za pomocą myszki; można je także przesuwać, rozpędzać i hamować. Zabawa niby niewinna, ale pamiętajmy, że prawdziwe galaktyki są skupiskami setek miliardów gwiazd, zaś ich rozmiary sięgają setek tysięcy lat świetlnych. Jeśli model ma średnicę 5 cm, to w tej samej skali Ziemia jest kulką o rozmiarach elektronu. Czy można znaleźć lepszy przykład nadający właściwą miarę nam i naszemu miejscu we Wszechświecie?

W innych projektach z serii Zooniverse możemy oglądać z bliska Księżyc i Słońce, poszukiwać nowych planet pozasłonecznych, wędrować po naszej Galaktyce i wykrywać ślady wybuchów wstrząsających innymi galaktykami. Podróże w głąb mikroświata byłyby bardzo pożądanym uzupełnieniem tej oferty. Miejmy nadzieję, że fizykom uda się je wkrótce zorganizować.

Projekty z serii Zooniverse

Old Weather Budowa klimatycznej bazy danych na podstawie zapisków w archiwalnych dziennikach okrętowych marynarki brytyjskiej.

Moon Zoo Mierzenie rozmiarów kraterów i głazów księżycowych na zdjęciach wykonanych przez sondę LRO (Lunar Reconnaisance Orbiter).

Solar storm watch Przeszukiwanie bieżących danych z satelitów śledzących aktywność Słońca.

Planet hunters Wyszukiwanie nowych planet pozasłonecznych w bieżących danych z satelity Kepler.

Milky Way Wyszukiwanie na zdjęciach z orbitalnego teleskopu Spitzera pęcherzy wytwarzanych w naszej Galaktyce przez wiatry gwiazdowe oraz intensywne promieniowanie ultrafioletowe młodych gwiazd i ich eksplozje.

Galaxy Zoo – the hunt for supernovae Wyszukiwanie na zdjęciach z przeglądu nieba SDSS (Sloan Digital Sky Survey) śladów potężnych eksplozji kosmicznych, kończących życie gwiazd o masach co najmniej 10-krotnie większych od masy Słońca.

Galaxy Zoo – understanding cosmic mergers Szukanie odpowiedzi na pytanie, jak doszło do galaktycznych kolizji uchwyconych na zdjęciach SDSS i jakie będą ich następstwa.

Galaxy Zoo – Hubble Dalszy ciąg klasyfikacji galaktyk i poszukiwanie galaktycznych soczewek grawitacyjnych na zdjęciach SDSS.

Polityka 16.2011 (2803) z dnia 16.04.2011; Nauka; s. 66
Oryginalny tytuł tekstu: "Siadaj i badaj"
Więcej na ten temat
Reklama

Czytaj także

Świat

Dekolonizacja Pacyfiku trwa. Jest nowe nowe państwo

20 lat po zakończeniu wojny domowej Bougainville 98 proc. uczestników referendum opowiedziało się za niepodległością. Na razie jednak trudno być optymistą, co do przyszłości tego niewielkiego kraju.

Dominik Sipiński
11.12.2019
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną