Agnieszka Pollo: Ten film o wszechświecie to wyzwanie, z jakim astronomia jeszcze się nie mierzyła.
|
|
Prof. dr hab. Agnieszka Pollo jest zastępczynią ds. naukowych dyrektora Narodowego Centrum Badań Jądrowych. Bada galaktyki i strukturę wielkoskalową wszechświata. Przewodzi konsorcjum uczestniczącemu w projekcie Legacy Survey of Space and Time, w którego skład poza NCBJ wchodzą Centrum Fizyki Teoretycznej PAN, Centrum Astronomiczne im. M. Kopernika PAN, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, Uniwersytet Jagielloński, Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu, Uniwersytet Warszawski i Uniwersytet Wrocławski. |
TOMASZ ROMAN TARNAWSKI: – Czy czeka panią 10 lat nocnych dyżurów przy komputerze?
AGNIESZKA POLLO: – To prawdopodobne.
Będzie pani oglądać film o wszechświecie, który powstaje w Vera C. Rubin Observatory w Chile?
Można tak powiedzieć. (śmiech) Właśnie rozpoczął się program Legacy Survey of Space and Time (LSST), czyli przegląd blisko połowy sfery niebieskiej. Bardzo szybko poruszająca się największa szerokokątna kamera na świecie będzie przez dekadę co trzy dni skanować południowe niebo. Ma bardzo duże pole widzenia, odpowiadające ok. 40 powierzchniom Księżyca, a teleskop może bardzo szybko przesuwać się między kolejnymi obszarami. Z jednej strony otrzymamy film pokazujący, jak obiekty pojawiają się, znikają i przemieszczają na niebie, a z drugiej – zsumowane obrazy tego, co na niebie jest stałe.
Jak odległe obiekty będzie można zobaczyć?
Pamiętajmy, że obserwując odległy wszechświat, podróżujemy nie tylko w przestrzeni, ale i w czasie. Nie spodziewałabym się, że dzięki LSST zajrzymy aż do epoki formowania się pierwszych galaktyk. Tu lepiej sprawdza się Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, który jednak obserwuje tylko małe fragmenty nieba. LSST zarejestruje pewnie tylko pojedyncze rekordowo odległe obiekty. Za to wszechświat sprzed ok. 12 mld lat powinniśmy poznać znacznie bardziej szczegółowo, niż to możliwe dziś.
Równie ważne – a może nawet ważniejsze – jest to, że we wszechświecie istnieje wiele obiektów położonych znacznie bliżej nas, ale bardzo słabych. Przykładem są galaktyki karłowate. Od lat toczy się dyskusja, ile ich naprawdę jest i czy rzeczywiście mniej, niż przewiduje teoria, czy tylko nie byliśmy jeszcze w stanie ich dostrzec. Mamy nadzieję, że LSST pomoże wyjaśnić tę zagadkę. Wraz z moim zespołem szczególnie liczymy na obserwacje galaktyk o niskiej jasności powierzchniowej.
Czytaj też: Kosmiczny skok jądrowy w wykonaniu NASA
Przewodniczy pani polskiemu konsorcjum, które jest częścią tego projektu.
Tak. Nie jesteśmy bezpośrednio zaangażowani – przynajmniej na razie – w obsługę teleskopu. Tworzymy za to oprogramowanie do konkretnych zadań, główny nasz wkład to centrum danych, które powstaje właśnie w Narodowym Centrum Badań Jądrowych.
Teleskop będzie generować każdej nocy ok. 10 terabajtów danych. Po 10 latach uzbiera się ich około 30 mln gigabajtów. Jak zamierzacie opanować ten cyfrowy potop?
Nadal się nad tym zastanawiamy, bo to wyzwanie, z jakim astronomia jeszcze się nie mierzyła. Wiemy już, że jesteśmy w stanie odczytać dane z teleskopu, zapisać je, przesłać. Sama analiza przebiega wieloetapowo. Część danych jest przetwarzana już przy teleskopie. Tam też rozpoczyna się proces selekcji tzw. zjawisk przejściowych. Mamy więc podział na dane dostępne natychmiast oraz statyczne, pochodzące z długotrwałych obserwacji. Mniej więcej raz w roku będą publikowane kolejne pakiety danych dostępnych dla uczestników konsorcjum.
W naszej polskiej bazie nie będziemy przechowywać wszystkich danych. Na początek zajmiemy się tymi statycznymi. Pierwotnie zakładaliśmy, że będą to przede wszystkim wyniki pomiarów, czyli ogromne tabele. Tymczasem technologia poszła do przodu i dziś wszyscy chcą mieć również dostęp do obrazów. Musimy więc zdecydować, jakie obrazy udostępniać, żeby nie utonąć w danych, a jednocześnie umożliwić prowadzenie przełomowych badań.
Skoro przez 10 lat będzie powstawał film, klatka po klatce, ile będzie trwał po złożeniu?
Jedna klatka odpowiada ok. 15–30 sek. obserwacji – i tak co noc, co 40 sek. nowa klatka przez 10 lat. Nie jestem pewna, czy jakiekolwiek kino zgodzi się wyświetlać taki film. Nawet jeśli kina będą jeszcze istnieć.
Przygotowania trwały ok. 15 lat. To standard w astrofizyce?
Dłużej! Projekt zaproponowano w 2001 r., a myślano nad nim oczywiście wcześniej. Nasz polski udział zaczęłam planować ok. 2010 r. i już wtedy było dla mnie jasne, że warto. Tak duże przedsięwzięcia astronomiczne faktycznie planuje się zwykle w perspektywie ok. 30 lat. Jeżeli uda się je zrealizować w 20 lat, to jest szybko. Jeśli w 10 – błyskawicznie. Powodów jest kilka. Przede wszystkim budowa nowych instrumentów zawsze wiąże się z opracowaniem nowych technologii. Trzeba je najpierw wymyślić, później rozwinąć, a tymczasem przekonać decydentów, że warto w nie zainwestować. To przedsięwzięcia, które w zasadzie przekazuje się kolejnym pokoleniom badaczy.
Nie jest to przygnębiające?
Sądzę, że raczej inspirujące i budujące. Pokazuje, że wśród uczonych istnieje międzypokoleniowa solidarność. Choć pewnie każdy z nas ma nadzieję, że jednak doczekamy budowy tych instrumentów, które wymyślamy dziś. A może medycyna pójdzie do przodu i za 30–40 lat nadal będziemy młodzi, pełni energii i entuzjazmu? (śmiech)
Czytaj też: Ciągle tylko sześć liczb. Wiemy, jak opisać 5 proc. energii wszechświata. Jak ogarnąć resztę?
Vera C. Rubin Observatory zbudowano z myślą o LSST?
Tak.
Dlaczego w Chile?
Jeżeli dziś chcemy budować teleskopy najwyższej klasy, to wybór miejsc na Ziemi jest bardzo ograniczony. Potrzebujemy miejsca położonego wysoko nad poziomem morza, aby warstwa atmosfery była jak najcieńsza. Dużej liczby pogodnych nocy. Najlepiej z dala od miast, aby sztuczne światło nie pogarszało jakości obserwacji. Musi być sucho, żeby para wodna jak najmniej przeszkadzała w obserwacjach. No i jeszcze szczególnych warunków atmosferycznych, które zapewniają jak najmniejsze rozmycie obrazu. Najlepsze warunki zapewniają dwa regiony – poza górami w Chile są to Hawaje.
Dlaczego astronomowie potrzebują aż tak długotrwałych obserwacji?
Przede wszystkim dlatego, że nikt wcześniej czegoś takiego nie zrobił. Obserwacje zmienności nieba prowadzi się w zasadzie już od starożytności. Najczęściej jednak chodzi o pojedyncze obiekty albo niewielkie fragmenty nieba. Tu po raz pierwszy będziemy mieli systematyczny przegląd wszystkiego, co na południowym niebie się nagle pojawia, porusza albo zmienia jasność.
Jest też argument, który dobrze trafia do wyobraźni. Powstało wiele filmów o asteroidzie czy komecie zmierzającej ku Ziemi i o końcu świata. Taki scenariusz wcale nie jest nierealistyczny. W historii naszej planety asteroidy wielokrotnie w nią uderzały i prędzej czy później to się zdarzy ponownie. Tymczasem do dziś nie istnieje program systematycznego monitorowania całego nieba pod kątem obiektów zbliżających się do Ziemi. Wiele obserwatoriów prowadzi takie poszukiwania na mniejszą skalę, ale nadal od czasu do czasu słyszymy o obiekcie, który wcześniej niezauważony przeleciał bardzo blisko naszej planety.
LSST blisko połowę nieba będzie stale monitorować także pod tym kątem. Zbliżające się do Ziemi asteroidy będzie można wykrywać skuteczniej i wcześniej. Zresztą już w pierwszych danych testowych odkryto prawie 4 tys. nowych asteroid. Spodziewamy się więc, że nasza wiedza o małych ciałach Układu Słonecznego bardzo się poszerzy.
Na liście obiektów, o których wiemy, że są zmienne, ale nie znamy dobrze ich długoterminowego zachowania, są m.in. kwazary. Kolejna ciekawa kategoria to zjawiska, które pojawiają się nagle, a potem zanikają, takie jak supernowe czy kilonowe – związane ze źródłami fal grawitacyjnych.
Jednym z głównych celów LSST jest badanie ciemnej materii i ciemnej energii. Może w końcu dowiemy się, z czego składa się 95 proc. wszechświata.
A może się okaże, że wcale nie jest to 95 proc. Być może będziemy musieli zmienić cały model kosmologiczny.
Wspomniała pani o galaktykach o niskiej jasności powierzchniowej. Dlaczego są tak ważne?
Przede wszystkim dlatego, że nadal wiemy o nich bardzo niewiele, choć pierwsze odkrywano jeszcze w latach 80. XX w. Już wtedy pojawiały się pytania, dlaczego mają tak niską jasność powierzchniową i wydają się tak rozciągnięte, bardziej „rozsmarowane” w przestrzeni niż typowe galaktyki. W ostatnich kilkunastu latach zaczęliśmy znajdować ich coraz więcej. Prawdopodobnie jest ich naprawdę bardzo dużo. Im głębsze i dokładniejsze obserwacje prowadzimy, tym więcej takich obiektów odkrywamy. Według niektórych symulacji mogą stanowić nawet połowę wszystkich galaktyk we wszechświecie. Przeważnie są to galaktyki karłowate, ale zdarzają się obiekty o masie gwiazd porównywalnej z Drogą Mleczną. Ich łączna masa na pewno jest mniejsza niż jasnych galaktyk, ale ich udział w całkowitym „budżecie” materii we wszechświecie może nie być pomijalny.
Dlaczego to jest istotne? Naszą wiedzę o wielkoskalowej, zbudowanej z ciemnej materii strukturze wszechświata odtwarzamy przede wszystkim na podstawie rozmieszczenia galaktyk. Jeśli jednak znamy tylko ich część, pojawia się uzasadnione pytanie, czy uwzględnienie pozostałych nie zmieni naszego obrazu tej struktury i jej właściwości. Z obliczeń teoretycznych wynika, że powinno istnieć znacznie więcej małych halo ciemnej materii, niż wskazuje liczba obserwowanych słabych galaktyk, które w nich powstają. I właśnie tutaj pojawia się miejsce dla galaktyk o niskiej jasności powierzchniowej.
Nasuwa się też pytanie, skąd te galaktyki się wzięły. Zapewne istnieje kilka różnych scenariuszy ich ewolucji. I jeszcze jedna kwestia. Galaktyki te są bardzo wrażliwe również na własności samej ciemnej materii. Między innymi dlatego uznałam, że warto się nimi zajmować przez najbliższe lata. Klucz do zrozumienia wszechświata może znajdować się właśnie tam, gdzie prawie nic nie widać.
Jakich kłopotów spodziewacie się podczas realizacji tego projektu?
Jeśli chodzi o pogodę, to nie przewidujemy większych problemów. Chyba że klimat zmieni się tak, że nawet w Chile przestanie dopisywać. Perturbacje polityczne oznaczać mogą mniej pieniędzy, a z problemami niedofinansowania nauki mierzymy się dziś wszyscy – zarówno w Stanach Zjednoczonych, jak i w Polsce. Jeżeli zaś chodzi o kwestie inżynieryjne, to jak na tak skomplikowany projekt wszystko dotąd przebiega niemal idealnie.
Ale oczywiście wyzwań jest nadal sporo. Mamy unikalną kamerę i bardzo duży teleskop z zaawansowaną optyką, które trzeba utrzymywać, czyścić i okresowo odnawiać. Wyzwania tego typu są nieodłącznym elementem eksploatacji tak skomplikowanego instrumentu. Może się zdarzyć, że od czasu do czasu konieczny będzie przestój, ale zakładamy, że możliwie krótki. Bo przecież wszyscy czekają na dane.
Czytaj też: Klucz do czarnych dziur. Być może żyjemy w czymś, co przypomina komputer kwantowy
Kto konkretnie będzie miał do nich dostęp?
Projekt realizują instytucje amerykańskie, chilijskie oraz partnerzy międzynarodowi, przeważnie zrzeszeni w krajowych konsorcjach, jak w przypadku Polski. Każdy partner międzynarodowy ma swoją pulę użytkowników posiadających prawa dostępu do danych. W naszym wypadku to ponad 80 osób. Użytkownicy mają dostęp do danych bezpośrednio z głównego centrum danych w USA i z międzynarodowych baz danych, m.in. naszej polskiej. Dane będą ogromne, dlatego nadal trwa dyskusja, które warto analizować na miejscu, a które przesyłać do innych ośrodków. Użytkownicy przez dwa lata po zebraniu danych mogą publikować wyniki badań, ale nie wolno nam udostępniać samych danych. Po tym terminie dane staną się publiczne, ale nie oznacza to, że wiemy już, czy i jak je szerszej społeczności udostępnić, bo to też wymaga niemałych zasobów.
To przykład demokratyzacji nauki?
Tylko częściowo. Wiele osób, w tym pomysłodawcy projektu, jest zdania, że dane powinny być dostępne możliwie szeroko, bo im więcej osób z nich korzysta, tym więcej dokonuje się odkryć. A danych będzie tyle, że pracy naukowej wystarczy dla wszystkich. Jednak obowiązują określone zasady, więc ta otwartość będzie miała swoje granice.
Przy tak ogromnych zbiorach danych nie uciekniemy od metod uczenia maszynowego i sztucznej inteligencji. To zaś oznacza potrzebę przygotowania odpowiednich katalogów treningowych i oznaczania danych. Dlatego intensywnie rozwijają się projekty typu Citizen Science, czyli nauki obywatelskiej. Każdy będzie mógł obejrzeć wybrane dane, oznaczać obiekty i w ten sposób uczestniczyć w badaniach. Uważam to za bardzo ciekawą formę demokratyzacji nauki. Takie oznaczanie obiektów naprawdę wciąga, trochę jak gra komputerowa, ale przy okazji istnieje szansa, że zupełnie niezwiązany z astronomią uczestnik tej „gry” natrafi na coś zupełnie nowego. I wtedy może niespodziewanie stać się odkrywcą nieznanego wcześniej obiektu czy zjawiska. Liczymy na to, bo do analizy tak ogromnej ilości danych potrzeba znacznie więcej astronomów, niż obecnie jest na świecie.
Jakie tutaj dostrzega pani zagrożenia?
Jednym z nich jest to, że ludzie mają tendencję do traktowania metod uczenia maszynowego jak czarnej skrzynki. Wrzucamy dane, wyciągamy wynik i zakładamy, że jest prawdą. Tymczasem algorytm nie zwraca prawdy, a tylko to, do czego został zaprojektowany i czego został nauczony. Dlatego musimy bardzo świadomie projektować metody, uczyć sztuczną inteligencję i dokładnie wiedzieć, czego od niej oczekujemy.
Mówimy o zbyt mało krytycznej analizie i pochopnym wyciąganiu wniosków?
Tak. Jeśli mamy wynik – jakikolwiek, ale szczególnie niespodziewany – pierwszym odruchem powinno być sprawdzenie, czy nie kryje się za nim jakiś błąd. I choć bywa to frustrujące, może być również naprawdę fascynujące.
Na co pani osobiście najbardziej liczy w tym projekcie?
Na coś, czego w tej chwili zupełnie się nie spodziewam – jeżeli coś przewiduję, nie jest to już tak ekscytujące. Liczę, że znajdziemy coś, co zmieni nasz obraz wszechświata na tyle, że będziemy musieli zacząć rozwiązywać jego zagadki w zupełnie nowy sposób.
Czyli żeby przyszłym astronomom nie zabrakło pracy?
Rzeczywiście dbam o kolejne pokolenia, ale też o to, żebyśmy my nadal mogli czerpać intelektualną przyjemność z tego, co robimy. Ostatecznie nauka przypomina układanie puzzli. Tyle że nie wiemy, jak obraz wszechświata wygląda, a do dyspozycji mamy tylko niewielką część elementów układanki.
ROZMAWIAŁ TOMASZ ROMAN TARNAWSKI