Minden pixelre jut egy bolygó vagy egy galaxis – Nagyfelbontású, szélesvásznú űrtérkép készülőben
Két nappal a nyári napforduló után, június 23-án a Svábhegyi Csillagvizsgáló moderált közvetítésével tanúi lehettünk egy forradalmi újdonságnak számító űrtávcső debütálásának. Az NSF-DOE Vera C. Rubin Obszervatórium lenyűgöző bázisa nem közelebb, mint a chilei Andok-hegység Cerro Pachón hegyének egyik csúcsára épült, míg maga a First Look Event, azaz az eszköz és az első képek nyilvánosságra hozatala a washingtoni National Academy of Sciences épületében zajlott. A 8,4 méteres teleszkóppal bíró űrmegfigyelő eszköz alapjaiban változtathatja meg az űrtérképet, asztronómiai tudásunkat.
A világ immáron legnagyobb, digitális kamerával rendelkező távcsöve, a Simonyi Felmérő Teleszkóp, a Budapesten született Simonyi Károly, Charles Simonyi magyar-amerikai szoftvermérnök nevét viseli, aki kétszer is járt az űrben (időben Farkas Bertalan és az épp most ott kutató Kapu Tibor között). A távcső az LSST-kamerával – a valaha épített legnagyobb digitális kamerával – van felszerelve. Maga a teleszkóp 350 tonna acél és üveg, egy 30 méter széles, 650 tonnás kupolában megbújva. A teleszkóp hatalmas, 8,4 méteres főtükre egyetlen darab alacsony tágulású boroszilikát üvegből készült, amelyet 120 nanométer vastagságú ezüstréteg borít. Az óriási tükör két különböző tükörként működik, a középpont felé hangsúlyozódó görbülettel.
A távcső ‘házikója’ a chilei Cerro Pachón hegy (az amúgy vulkanikus Andok-hegység) egyik csúcsán található (emitt általában csak egy-egy kis földrengés fordul elő, tektonikus okok miatt) majd 2700 méteren, ami egyben az ott dolgozóknak is otthont ad. Az ottani éghajlat miatt az égbolt majd mindig tiszta, nem fényszennyezett, ergo tökéletesen alkalmas a csillagvizsgálathoz. A sivatagi klímájú hegyet cserjék, kaktuszok, rovarok, skorpiók, rókák, macskanyulak lakják.
Az obszervatórium Vera C. Rubin csillagász tiszteletére viseli az ő nevét, akinek a kutatása leginkább galaxisok forgására, mozgására fókuszált, aminek egyik fontos következménye a sötét anyag létének bizonyítása lett, valamint nagyon sokat tett a nők tudományos munkában való elismeréséért. A Rubin Obszervatórium a maga nemében első, mérföldkő a csillagászati tudományban. Tükörkialakítása, kameraérzékenysége, teleszkópsebessége és számítási infrastruktúrája egy teljesen új kategóriát teremt ebben a tudományágban. Eredetileg a Rubint egy sötétanyag-felmérő távcsőnek szánták, hogy felkutassa az univerzum tömegének azt a 85 százalékát, amelyről tudjuk, hogy létezik, de nem tudjuk azonosítani. De miután a csillagászok megvizsgálták, hogy mi másra lenne alkalmas egy ilyen felmérő távcső, amely hatalmas fénygyűjtő képességet és széles látómezőt ötvöz, Rubin tudományos küldetése gyorsan túlnőtt a sötét anyagon.
Ez év végétől kezdőden, 10 éven át részletes képeket készít majd a déli félteke égboltjáról éjszakánként, a mi Naprendszerünkben is, de azon bőven túl (sokszáz millió évvel ezelőtt elindult fotonnyi fényévtávolságra), lefedve a teljes déli égboltot. Az eredmény egy ultraszéles, ultranagy felbontású, time-lapse felvétel lesz – minden idők legnagyobb csillagászati filmje. 2 millió képet készít, 500 petabájtnyi adatot generál, és legalább 825 alkalommal pásztáz végig minden általa látható objektumot. A Naprendszerünkben, becslések szerint 6 millió égitestet, a galaxisunkban 17 milliárd csillagot és az univerzumunkban 20 milliárd galaxist azonosít, napi szinten nyomon követve a teljes déli égbolt változásait. Ez az egyedülálló film életre kelti majd az éjszakai égboltot, feltárva a felfedezések kincsesbányáját: aszteroidákat és üstökösöket, pulzáló csillagokat, szupernóva-robbanásokat, távoli galaxisokat – és talán olyan kozmikus jelenségeket, amelyeket korábban senki sem látott.
Ami az adattovábbítást illeti, miután azok elhagyják Rubin kameráját, feldolgozásuk nagy része a kaliforniai Menlo Parkban található SLAC Nemzeti Gyorsító Laboratóriumában fog megtörténni – több mint 9000 kilométerre Cerro Pachón-tól. Kevesebb, mint 10 másodperc alatt jut el egy kép a kamera fókuszsíkjától a SLAC-ig, köszönhetően a csúcstól La Serená-ig tartó 600 gigabites optikai kábeles kapcsolatnak, onnan pedig egy dedikált 100 gigabites vonalnak és egy tartalék 40 gigabites vonalnak, amelyek az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának tudományos hálózatához csatlakoznak. A Rubin által éjszakánként előállított 20 terabájt adat teszi szükségessé ezt a sávszélességet.
A programban 25 magyar csillagász is aktívan részt vesz: a HUN-REN CSFK Konkoly Thege Miklós Csillagászati Intézet, az ELTE Fizikai és Csillagászati Intézete és az ELTE szombathelyi Gothard Asztrofizikai Obszervatóriuma. Az LSST program (Legacy Survey of Space and Time) négy fő terület kutatását teszi lehetővé: a Tejút szerkezete és keletkezése, sötét anyag/sötét energia, a Naprendszer és a változó égbolt.
A magyar részről a nemzetközi projektben résztvevő Szklenár Tamást, Szabó M. Gyulát és Szabó Róbertet kérdeztük.
Paradigmaváltásnak tűnik a csillagászat tudományában ez az új szerkezet a tervezett 10 éves „adatcsomaggal” még egy laikus szemével nézve is. Igaz ez?
Tamás: Mindenképpen, hiszen olyan mélységben, nagyon halvány csillagokat, objektumokat feltárva történik majd az égboltfelmérő program, amelyre eddig nem volt példa. Az egész távcső, az optikai elrendezés, a gigantikus kamera, a mozgatást végző szerkezet mind azt a célt szolgálják, hogy a teljes Chiléből látható égboltot háromnaponta, 6 különböző szűrővel, soha nem látott mélységben megvizsgálja.
Gyula: A Simonyi Teleszkóp abban is egyedi, hogy messze a legnagyobb térfogatot látja át egységnyi idejű expozíció alatt. „Milyen messzire lát el a távcső?” – szól a klasszikus kérdés. A csillagász erre technikailag az etendue nevű mennyiség (tükörátmérő szorozva látómezővel) emlegetésével válaszolhat; vagy megfigyelési oldalról leírhatja azt a térrészt, amit a képen szereplő valamilyen dolgok (pl. galaxisok) kitöltenek – ami az elért térfogat. A két mennyiség ugyanarról beszél: nagy tükörrel messzire látunk, nagy látómezővel pedig széles szögtartományon. A műszer tekintélyes méretei ellenére sem a legnagyobb fénygyűjtőképességű távcső, nem is ez a legnagyobb látómezejű optika; de a nagy tükör – óriási kamera kombinációjával – az „elért térfogat” tekintetében mindenki mást nagyságrendileg múl felül. Nem kicsit: nagyságrendileg.
Róbert: Valóban paradigmaváltásról beszélünk, hiszen az LSST megváltoztatja azt a módot is, ahogy a csillagászok a munkájukat végzik: eddig szinte minden esetben letölthettük a saját laptopunkra, vagy intézeti adattároló szervereinkre az adatokat, amiket vizsgálni akartunk. Ez az LSST-felmérés esetében nem lehetséges az adatok puszta mennyisége miatt. Ezért „nem az adat megy a kutatóhoz, hanem a kutató megy az adathoz”: egy olyan számítógépes platformot hoztak létre, ahol az adatfeldolgozás és -analízis távoli szuperszámítógépeken fog lefutni, a kutató a saját lekérdezését, programjait hozza, feltölti, és azokat futtatja ezen a platformon. A mély égboltfelmérés, a „színes mozi” nagyon sok szinergiát is lehetővé tesz: más űrbeli és földfelszíni égboltfelmérésekkel, mérési programokkal együtt szépen kiegészítik egymást, például a lefedett hullámhosszok tekintetében. Vagy éppen a felfedezett tranziens, rövid ideig látszó objektumokat (ezek zömében nagy energiájú robbanások, pl. szupernóvák) földfelszíni távcsövekkel fogják utánkövetni, mert az LSST nem fogja megszakítani az előretervezett 10 éves programját. Ugyanígy a mozgó, naprendszerbeli objektumok megerősítéséhez és követéséhez is sokszor földi távcsöveket használunk majd.
Hogyan viszonyul egymáshoz a négy kutatási terület és melyiken hozhat nagyobb meglepetéseket?
Tamás: Ismerve a távcső képességeit, lényegében mind a négyben várhatóak új felfedezések. Például csak a kamera tesztelése, illetve az első képek készítése közben, 10 óra megfigyelés alatt, 2104 új aszteroidát talált, ami az eddigi éves felfedezések mintegy 10 százaléka. Azt várjuk, hogy valóban megváltoztatja a körülöttünk lévő világról alkotott képünket.
Gyula: „Mi a kérdés, ha a válasz a világegyetem?” – ez a Douglas Adams-parafrázis fejezi ki igazán az égboltfelmérési megközelítés módszertanát. A meglévő ismereteinket, már ismert eloszlásokat új irányokba kibővíteni is izgalmas, és nagyjából megjósolható kutatási program; az igazán nagy felfedezések azonban az adatok áttekintésének új módszereitől, lényegében az adatokhoz intézett új kérdésektől várhatók. Vegyük észre, hogy a felmérés tényleges adattartalma már a méréstervezési szakasz lezárultával eldőlt; de a kérdések mindig fognak fejlődni, ahogy idővel feltárulnak előttünk az adatok, és értelmezésünk is bővül majd. Nagyon nehéz olyan dolgot észrevenni, aminek a felbukkanására nem számítunk… Pláne ekkora, számítógéppel is éppen csak áttekinthető adattengerben!
Róbert: A legfontosabb, hogy a műszer valószínűleg „ismeretlen ismeretleneket” is fel fog fedezni, olyan objektumokat vagy jelenségeket, amiket senki sem várt. Ezek lesznek az igazi meglepetések, amikre nem is számítunk, mert nem számíthattunk. Az már egy bevált, tulajdonképpen megfigyelési tény, hogy ha egy tudományos eszköz valamilyen jellemzőjében egy vagy több nagyságrenddel meghaladja az elődjét, ott számíthatunk meglepetésekre. A Vera Rubin Obszervatórium Simonyi-távcsöve többszörösen is teljesíti ezt a kritériumot: az égboltot nagyon nagy mélységben, rendkívül gyorsan és homogén módon fogja hosszú ideig megfigyelni, így joggal reméljük, hogy az LSST égboltfelmérő programba „kódolva vannak” a nagy felfedezések.
Hogyan lehet hasznosítani az eredményeket az űrtudományokban és a kapcsolódó más tudományágakban?
Tamás: A csillagászat mindig is egyfajta komplex tudományág volt, van benne matematika, fizika, kémia, sőt biológia is. Minden új felfedezés indukál egy újfajta ötletet, gondolkodást. Emellett technológiailag sem elhanyagolható, hiszen olyan műszerfejlesztések történtek a Rubin Obszervatórium esetében is, amelyeket később máshol is alkalmazni lehet.
Róbert: A nagy földfelszíni csillagászati programok és űrprogramok is mindig együtt járnak technológiai fejlesztéssekkel. Az LSST kamerája a világ legnagyobb digitális érzékelőjét hordozza: 3,2 gigapixelről, azaz 3200 megapixelről beszélünk egyetlen kép esetében, ami majdnem 50 teleholdnyi területet jelent az égen. Ehhez a kamerához a világ legnagyobb optikai lencséjét kellett megalkotni, ami 1,55m átmérőjű. Az egész kamera 2,8 tonna súlyú, ami egy kisteherautó, vagy egy nagyobbacska városi terepjáróénak felel meg mind súlyát, mind méretét tekintve. Ezek a fejlesztések előbb-utóbb megtalálják majd az útjukat a mindennapjainkba is. A csillagászatban az LSST adatait – katalógusok és adatbázisok formájában – nagyon sokáig, sztenderdként fogjuk használni, egyfajta alapköve lesz a 21. századi asztrofizikának és Naprendszer-kutatásnak is.
Gyula: Van egy olyan, egészen konkrét vetület is, hogy a kis égitestekre – pl. a Földre, vagy az űreszközeinkre – közvetlen veszélyt jelentő égitesteket fedezzük fel. Ez, a veszélyes kisbolygókra gondolva az LSST konkrét vállalása is egyben. De akár egy holdbázis vagy egy emberes Mars-küldetés tervezésekor is felmerül, hogy a kozmikus katasztrófák kockázatát hogyan lehet minimalizálni.
Az oktatásban milyen szerepe lehet?
Tamás: Az LSST csapata nem csak a kutatásra, hanem az oktatásra is nagy hangsúlyt fektet. Oktatási anyagokat, személtető eszközöket hoznak létre, illetve magához a kutatási programhoz kapcsolódva mutatják be annak részleteit. Azt várjuk, hogy az adatokból kinyert információ végül természetesen bővíti ismereteinket a Világegyetem kapcsán, így ezek is beépülhetnek majd nem csak a bemutató csillagvizsgálók, de az oktatási intézmények anyagaiba is.
Gyula: Egyetlen kép többet mond ezer szónál. Az oktatásban, vagy akár a karrierválasztásban az igazán magával ragadó, nézőpontformáló képek jelentőségét nem lehet túlértékelni. Az LSST „mint képgyár” ráadásul teljesen új nézőpontot fog képviselni, egész más „ég” érhető el vele, mint pl. a – gyönyörűen kidolgozott képeiről is nevezetes – HST-vel. Az LSST-től a Galaxisunk szerkezetét, vagy a közeli galaxisok, galaxishalmazok eddig nem látott részleteinek képi bemutatását is várhatjuk; ezekről szólnak az első nyilvánosságra hozott képek is.
Róbert: Az oktatás mellett a tudományos ismeretterjesztés egyéb formáit is támogatja a Vera Rubin Obszervatórium, például lesz feladat bőven az amatőrcsillagászok és a citizen scientist-ek számára is. Az adatokhoz is mindenki hozzáférhet, hiszen egy idő után minden mérés nyilvánossá válik. Az első képek bejelentése is nagy nyilvánosságot kapott, világszerte több mint 350 helyszínen több tízezer embert értek el, és milliók láthatták a lélegzetelállító képeket, hiszen a vezető amerikai és nemzetközi médiumokban jelentek meg – mindez szintén azt szolgálja, hogy minden érdeklődő, így a gyerekek és a fiatalok is kedvet kapjanak a természettudományokhoz, de legalábbis ahhoz, hogy jobban megértsék a körülöttünk lévő világot.
Az adattovábbítás úgy tűnik, hogy megoldott, legalábbis a SLAC-ig. De mi a helyzet az adattárolással, és leginkább a feldolgozással? Egy éjszaka 20 terabájtnyi adat szorozva 10 évvel, az nagyon sok! AI fejlesztésekért kiált.
Tamás: Az adattárolás természetesen kulcsfontosságú minden hasonló program esetében, de az LSST égboltfelmérő program esetén különösen. Több nagy adatközpont is létrejött éppen a Rubin Obszervatórium adatai részére, például Angliában, Franciaországban. A 10 éves megfigyelés során keletkező adatmennyiség gigászi, így már évekkel korábban megkezdtük olyan, gépi tanulásra épülő algoritmusok létrehozását, amelyekkel kezelhetőbbé válik mindez.
Gyula: Voltak előzmények: 25 éve kezdődött a Sloan Digitális Égboltfelmérés, aminek ötödik verziója mind a mai napig tart, illetve 15 éve startolt a Pan-STARRS, 2018-ban pedig a Zwicky Transient Facility nevű égboltfelmérés Ezekkel a programokkal kicsiben kipróbálhattuk, hogy mit várhatunk az LSST-től. Persze az LSST-nél minőségi ugrás van: az SDSS adatokat még szinte szemmel is át lehetett tekinteni, de korabeli számítógépekkel mindenképp; az LSST a mai gépek teljesítményének is a határát feszegeti. A standard pipeline kizárólag determinisztikus-plauzibilis, vagyis klasszikus módszereket tartalmaz. Erre a munkacsoportokban kiterjedt saját algoritmus-arzenál épül, ahol AI módszerek is helyet kapnak szép számmal. A legvégén azonban az értelmezésre nem fogunk jobbat találni a kutató, az emberi elme természetes intelligenciájánál.
Róbert: Az LSST égboltfelmérő program tervezésekor (több mint 15 évvel ezelőtt) a kutatók és a mérnökök még csak bízhattak abban, hogy a Moore-törvény működik, vagyis ahogy a számítási kapacitás kétévente megduplázódik, úgy az adatátvitel kapacitása is hasonló mértékben javul majd – mert enélkül a sok petabájtnyi adat átvitele lehetetlen lett volna. Szerencsére igazuk volt, 2025-ben az éjszakánkénti 20 terabájt átmásolása az USA-ba és onnan Európába sem okoz különösebb nehézséget. Sőt! Az LSST azt is vállalta, hogy minden egyes kép elkészülte után egy percen belül (!) teljesen publikus riasztást küld minden elmozduló, vagy fényességét változtató objektumról. Ezek azok, amik valamilyen szempontból érdekesek és követni érdemes őket. Ilyen riasztásból éjszakánként sok millió várható! Számomra ez is döbbenetes: a hatvan másodperc roppant rövidnek tűnik, főleg, ha figyelembe vesszük, hogy a hatalmas méretű képet be kell olvasni, pixelről-pixelre összehasonlítani referenciaképekkel, kiszűrni minden változást, összegyűjteni a korábbi megfigyeléseket, minden rendelkezésre álló adatot az érdekes objektumokról, és küldeni őket akár az én, akár a kedves Olvasó mobiltelefonjára. Tíz évig, minden éjszakán, folyamatosan. Ez a 21. század asztrofizikája: az égbolt életre kel, az adatok elárasztanak minket, mi pedig a mesterséges intelligenciát hívjuk segítségül, hogy minden érdekes történés és felfedezés napvilágra kerülhessen.
A Rubin-adatok segítségével jobban megérthetjük az univerzumot, elmerülhetünk a sötét energia és a sötét anyag rejtelmeiben, az „ismeretlen ismeretlenekben”, és olyan kérdésekre is választ kaphatunk, amelyeket még csak el sem képzeltünk…
NSF-DOE Vera C. Rubin Obszervatórium
Az Egyesült Államok Nemzeti Tudományos Alapítványa és az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának Tudományos Hivatala által közösen finanszírozott –, vadonatúj csillagászati és asztrofizikai létesítmény, amely a chilei Cerro Pachón hegy egyik csúcsán épült. Nevét Vera Rubin amerikai csillagászról kapta, tiszteletére elnevezve, aki a galaxisok forgását tanulmányozta kollégáival együtt, és az első volt, aki meggyőző bizonyítékot szolgáltatott a sötét anyag létezéséről.
Vera C. Rubin
Vera Florence Cooper Rubin amerikai csillagász volt, aki úttörő szerepet játszott a galaxisok forgási sebességének kutatásában. A galaktikus forgásgörbék tanulmányozásával feltárta a galaxisok előre jelzett és megfigyelt szögmozgása közötti eltérést. A galaxisok forgási problémájával kapcsolatos munkáját mások a sötét anyag létezésének bizonyítékaként emlegették. Munkásságáért élete során számos elismerésben részesült, többek között Bruce-érmet, a Királyi Csillagászati Társaság aranyérmét és a Nemzeti Tudományos Érmet kapta. A chilei Vera C. Rubin Obszervatóriumot róla nevezték el. Örökségét a The New York Times úgy írja le, mint „kopernikuszi léptékű változást” a kozmológiai elméletben. Rubin egyike volt azon számos nőnek a tudományban, akiket nemi diszkrimináció miatt elhanyagoltak a Nobel-díj odaítélése során. Rubin életét a tudományban dolgozó nők érdekeinek képviseletével töltötte, és mentorálta a feltörekvő női csillagászokat.
Cerro Pachón
A Cerro Pachón hegy Közép-Chilében, La Serena városától keletre, a Coquimbo régióban található, szeizmikusan aktív hegy, amely több obszervatóriumnak is otthont ad. Az Andok hegység, ahol a Cerro Pachón található, a világ leghosszabb víz feletti hegysége, a Himalája után a második legmagasabb. Az Andok vulkanikus hegység, Cerro Pachón-on azonban nincsenek vulkánok, mivel – a geológusok szerint – a csendes-óceáni tektonikus lemez alá olyan sekély szögben csúszik a dél-amerikai lemez alá, hogy nem tud vulkánkitöréseket okozni. Így a Cerro Pachón és a környező hegyek, magas csúcsaikkal és száraz levegőjükkel, nagyszerű helyszínek az éjszakai égbolt megfigyeléséhez.
A vulkánok hiánya nem jelenti azt, hogy nincsenek földrengések. A Cerro Pachón-on elég rendszeresen tapasztalhatók kisebb földrengések, és ez az egyik oka annak, hogy Rubin távcső közvetlenül egy hatalmas betonoszlopra van szerelve, amely a hegy stabil alapkőzetébe van ágyazva. A rezgések (földrengések vagy akár szél) elleni további védelemként a móló teljesen elkülönül az obszervatórium épületének többi részétől. Valójában a csillagvizsgálóban belül is látható a hatalmas betonmóló és az épület többi része közötti rést!
Szklenár Tamás, adattudós (data scientist), HUN-REN CSFK Csillagászati Intézet. Az LSST keretében nagy adatrendszerekkel (big data) foglalkozik és pulzáló változócsillagok klasszifikációját végzi el gépi tanulási módszerekkel.
Szabó M. Gyula, kutatóprofesszor, igazgató, ELTE Gothard Asztrofizikai Obszervatórium. 2023-ban Fulbright ösztöndíjas az LSST Seattle-i központjában. Az LSST Solar System Science Consortium tagja, a Naprendszer kis égitestjeinek követésében és tanulmányozásában vesz részt
Szabó Róbert, tudományos tanácsadó, a HUN-REN CSFK Csillagászati Intézet igazgatója, HUN-KON LSST magyar in-kind hozzájárulás vezetője, főként változócsillagok modellezésével és megfigyelésével foglalkozik.
Szerző: Nagy Enikő
Felhasznált források:
https://spectrum.ieee.org/vera-rubin-observatory-first-images
https://www.youtube.com/watch?v=c4VCaLR4igE&t=786s
https://rubinobservatory.org/news/first-imagery-rubin
