Как появление компьютера изменило астрономию?
С проведения наблюдений невооружённым глазом Тихо Браге и ручной обработки его данных Иоганном Кеплером на рубеже XVI-XVII веков астрономия прошла гигантский путь. Сейчас ни один из этапов сбора научных данных, их обработки и проверки астрономических моделей не обходится без вычислительной техники. И сегодня я расскажу о том, как компьютеры завоёвывали своё место в астрономии.
Радиоинтерферометрия
Разрешение телескопа прямо пропорционально его диаметру и обратно пропорционально используемой частоте (это называется дифракционным пределом). Поэтому несмотря на то, что радиотелескопы в разы крупнее других видов телескопов, их разрешение долгое время сильно уступало всем остальным. Частичным решением этой проблемы стало объединение нескольких отдельно стоящих радиотелескопов в совместно работающую систему, объединённую кабелями связи. Впервые сконструировать радиоинтерферометр, провести на нём наблюдения и опубликовать полученные данные удалось Мартину Райлу (Martin Ryle) и Дереку Вонбергу (Derek Vonberg) ещё в 1946 году. Однако необходимость наличия устойчивого канала связи между антеннами на всей продолжительности наблюдений сильно ограничивало эту технологию.
Так что в 1965 году советские учёные Николай Кардашёв и Леонид Матвеенко предложили обойти эту проблему сбором наблюдательных данных на каждом радиотелескопе в отдельности, с их последующим сбором в одном месте и обработкой на компьютере. Так на свет появилась радиоинтерферометрия со сверхдлинными базами, которая в начале позволила увеличить размеры «виртуальной радиоантенны» вплоть до размеров континентов, а потом и вовсе шагнуть до масштаба системы Земля-Луна в российском проекте «РадиоАстрон». Так из «аутсайдера» астрономии по разрешающей способности, в течение XX века радиоастрономия превратилась в лидера. С созданием телескопа «Миллиметрон» это звание может достаться инфракрасному диапазону спектра, так как для него закладывается разрешающая способность сразу в ≈200 раз больше максимально достигнутой к данному моменту, однако из-за высокой технической сложности и недостаточного финансирования этого проекта, пока трудно предугадать, когда он сможет вступить в действие.
Сделанный 11 апреля 2017 года снимок сверхмассивной чёрной дыры в галактике M87, расположенной в 55 млн световых лет от нас. Его съёмка проводилась кооперацией «Телескопа горизонта событий», включавшей 8 радиотелескопов из США, Чили, Испании, Мексики и Дании, в число которых входил Южный полярный телескоп, расположенный на антарктической станции Амундсена-Скотта. Для получения 4 таких снимков 200 учёным из 13 научных организаций мира пришлось собрать около десятка петабайт данных, на обработку которых ушло 2 года.
Фотоприёмники
В конце XIX века фотоэмульсии сделали революцию в астрономии, позволив отойти от привязки к светочувствительности и остроте зрения конкретного наблюдателя, параллельно дав возможность подолгу накапливать сигнал от слабых источников света. Однако свойства фотоэмульсий также варьировались от образца к образцу, поэтому требовалась ручная калибровка снимков. А эффективность накопления ими света составляла лишь около 2%, что ограничивало потенциал существовавших телескопов. На время параллельно с ними стали применяться изобретённые в СССР видиконы (разновидность электронно-лучевых трубок), которые успели поучаствовать во многих наземных наблюдениях и нескольких космических миссиях.
Но уже вскоре места фотоэмульсий и видиконов стали активно занимать изобретённые в 1969 году сотрудниками «Bell Labs» Уиллардом Бойлом (Willard S. Boyle) и Джорджем Смитом (George E. Smith) ПЗС-матрицы, которые могли накапливать свет с эффективностью, приближающейся к 100%. Кроме того, при использовании активного охлаждения, они позволяли практически полностью избавиться от шумов. В 1976 году инженер JPL Джим Джейнсик (Jim Janesick) и планетолог Университета Аризоны Брэд Смит (Brad Smith) впервые с помощью ПЗС-матрицы получили снимки с 1,5-метрового телескопа обсерватории «Mt. Bigelow». С тех пор ПЗС-матрицы заняли места приёмников практически во всех профессиональных телескопах и космических обсерваториях, но уже начали уступать своё место КМОП интегральным схемам в оборудовании астрофотографов и астрономов-любителей, благодаря их дешевизне, меньшему энергопотреблению и скорости считывания снимков.
Компьютерное управление
Для проведения длительных наблюдений телескопы требовалось устанавливать на поворотные механизмы, которые могли позволить компенсировать вращение Земли вокруг своей оси. Ещё в течение XVII века была изобретена экваториальная монтировка с часовой механизм, позволяющая отслеживать звёзды вращением телескопа в единственной плоскости, отцентрированной по полюсу мира. Однако для массивных телескопов намного более подходящей была альт-азимутальная монтировка, в которой одна ось была отцентрирована по горизонту, а другая отвечала за движение телескопа в вертикальной плоскости. Однако у подобной монтировки был существенный недостаток: для отслеживания звёзд телескопу необходимо было двигаться сразу в 2 плоскостях, причём это движение должно было происходить с переменной скоростью. Решением этой проблемы стало использование компьютера для управления движением телескопа.
БТА – крупнейший телескоп мира в 1975-1993 годах.
Первый полностью управляемый компьютером телескоп с диаметром 3,9 метра вступил в действие в 1974 году в Австралийской астрономической обсерватории (AAO), но его монтировка оставалась классической экваториальной. Однако уже в 1975 году заработал советский 6-метровый телескоп БТА, который в полной мере использовал преимущества и компьютерного управления, и альт-азимутальной монтировки. Современная профессиональная астрономия пошла ещё дальше, позволив учёным направлять заявки для наблюдений и получать научные данные прямо через Интернет, не приезжая в обсерваторию вовсе.
Некоторые астрономы не без основания указывают на то, что такой подход убивает романтику профессии и дух первооткрывательства. Но в этом есть и свои плюсы: во время текущей пандемии пришлось закрыть более 120 крупнейших телескопов – почти все, которые не были автоматизированы. Таким образом, наш БТА на время поднялся до 2-й строчки в списке крупнейших телескопов, продолжающих свою работу (теперь за процессом его работы по Интернету даже может понаблюдать любой желающий).
Коррекция снимков
О том, что неспокойная земная атмосфера мешает проведению точных астрономических наблюдений, было известно ещё во времена Исаака Ньютона. Но с появлением многометровых телескопов в середине XX века этот вопрос встал особенно остро. В 1950-х годах для решения этой проблемы начал применяться метод удачных экспозиций, предусматривающий проведение серии снимков с короткими экспозициями, с последующим отбором лучших. Такой подход позволял вплотную подойти к теоретическому пределу разрешения существовавших телескопов, но только при съёмке объектов с размерами до 10-20 угловых секунд и при наличии в поле зрения телескопа яркой звезды от 14-й звёздной величины (она служила эталоном для отбора снимков). Кроме того, этот метод не отличался высоким КПД использования наблюдательного времени, поэтому хотя этот метод является неплохим выбором для любительской астрофотографии, но поиски лучших альтернатив для профессиональной астрономии продолжились.
В 1953 году Хорас Бэбкок предложил отслеживать турбулентность атмосферы в реальном времени и корректировать создаваемые ею искажения с помощью составной оптической системы (этот метод получил название адаптивной оптики). Однако ещё некоторое время это было неразрешимой задачей, так как для этого нужны были большие вычислительные мощности и такой же стабильный и яркий источник света, как и для предыдущего метода. Достаточно мощные компьютеры появились довольно скоро, а в 1985 году Рено Фуа (Renaud Foy) и Антуан Лабейри (Antoine Labeyrie) предложили решить вторую проблему применением лазерного луча с особой длиной волны, который бы достигал верхних слоёв атмосферы около 90 км и, отражаясь там от атомов натрия, создавал необходимый эталон (в реальности впервые этот метод был открыт Юлиусом Фейнлейбом (Julius Feinleib) в 1981 году, однако так как это было частью военного исследования, оно было засекречено вплоть до начала 1991 года).
Слева-направо: снимок Нептуна 8,2-метровым телескопом VLT без адаптивной оптики, снимок 2,4-метрового космического телескопа «Хаббл», снимок телескопа VLT с адаптивной оптикой.
Для решения той же проблемы в 1997 году Джон Тонри, Барри Берко и Пол Шехтер из Массачусетского технологического института предложили использовать специальный тип ПЗЦ-матрицы (OTCCD), также выполняющий коррекцию снимка в процессе съёмки, но уже на уровне считывающих ячеек самой матрицы (эта технология оказалась применима и в паре с адаптивной оптикой, что позволяло добиться лучшего результата в коррекции).
Строящийся сейчас 39,3-метровый «Чрезвычайно большой телескоп» (ELT) должен будет вывести технологию адаптивной оптики на новый уровень, используя сразу 798 независимых сегментов главного зеркала, корректирующих своё положение по тысяче раз в секунду.
Обработка научных данных
В последние десятилетия количество получаемых в астрономии данных испытывает экспоненциальный рост. Астрономы быстро пришли к выводу, что это требует систематического подхода к хранению и обработке данных. И первым шагом на этом пути стало создание в 80-х годах интерактивных баз астрономических статей и документов ADS и ESIS, а также «Универсального пакета программ для обработки и анализа астрономических данных» IRAF с широким функционалом (они соответственно были созданы NASA, Европейским космическим агентством ESA и Национальной обсерваторией оптической астрономии NOAO). А в 1991 году Роберт Немирофф (Robert Nemiroff) и Джон Валлин (John Wallin) создали Астрофизическую библиотеку исходного кода (ASCL), для того чтобы сделать астрономические исследования более прозрачными.
Очередной шаг в систематизации работы с данными состоялся в конце 90-х годов, когда возникла «Виртуальная обсерватория». Её концепция заключалась в хранении в одном месте астрономических архивов и программных пакетов. Доступ учёных 24/7 к этому хранилищу обеспечивался благодаря Интернету.
В 2002 году эта идея привела к созданию Международного альянса виртуальных обсерваторий (IVOA), состоящем сейчас из ESA и организаций из 20 стран. IVOA продвигает идеи по стандартизации массивов данных, созданию стандартных способов доступа к ним и типового инструментария для обработки данных, а также поддерживает обучение астрономов работе с этими инструментами благодаря паре ежегодных конференций и других мероприятий. Подобная работа ведётся и независимо от IVOA, на ежегодных событиях вроде конференции «Программное обеспечение и оборудование для анализа астрономических данных» (ADASS) и европейской летней школы «Передовое программное обеспечение для астрофизики и космомикрофизики» (ESCAPE Summer School). Всё это ведёт к развитию в астрономии международного сотрудничества и сокращению параллельных работ над решением однотипных задач, что оставляет астрономам больше времени для выполнения основных задач: проверки существующих теорий и поиска таких закономерностей, которые ведут к открытию новых явлений и возникновению новых теорий.
«Впервые в рамках последовательного обзора у нас будет закаталогизировано больше астрономических объектов, чем людей на Земле», – говорит Саймон Кругхофф (Simon Krughoff), являющийся членом команды управления данными Обсерватории имени Веры Рубин (известной ранее как LSST). Этот $473-миллионный проект предусматривает создание 8,4-метрового телескопа с обзором в 49 раз больше углового размера Луны и 3,2-гигапиксельной камерой, которая должна будет делать по 2 тыс. 15-секундных снимков за ночь и производить тем самым по 30 ТБ научных данных за сутки.
Однако не во всех случаях для обработки наблюдательных данных существуют подходящие алгоритмы или банально выделяется достаточно средств для её проведения. Поэтому с 2000-х годов астрономы в некоторых случаях прибегают к помощи «дополнительных рук» добровольцев, в таких проектах как «Galaxy Zoo» по классификации типов галактик и «CosmoQuest» по картографированию кратеров на Луне и астероиде Веста, а также обращаются к дополнительным вычислительным мощностям, предоставляемым добровольными вычислениями.
Так что хотя сейчас работа астрономов в основном сконцентрировалась на создании эффективных алгоритмов обработки и визуализации данных, но значимость ручного труда и помощи гражданской науки не отпала полностью. Так добровольный проект «Planet Hunters», занимающийся перепроверкой данных телескопов «Кеплер» и «TESS», за 2 года работы второго телескопа успел обнаружить 90 новых кандидатов в планеты, которые пропустили алгоритмы NASA. А с помощью компьютеров 500 тыс. добровольцев проекта Einstein@Home удалось обнаружить 55 новых радиопульсаров и 39 гамма-пульсаров.
Сейчас поучаствовать в астрономических исследованиях может практически любой желающий. Хотя один из самых старых и известных проектов Boinc «SETI@home» был заморожен около года назад для обработки результатов, но на сайте остаётся 5 действующих проектов, посвящённых астрономии и астрофизике. А на сайте Zooniverse собрано сразу 17 проектов, где вы можете попробовать свои силы в обработке астрономических снимков.