Нова опсерваторија „Вера К. Рубин“ у Чилеу: Чудесне слике (не)видљивог свемира

Пре отприлике недељу дана, нова опсерваторија „Вера К. Рубин“ у Чилеу објавила је своје прве званичне фотографије остављајући без даха све оне који имају макар мали интерес за науку.

Изградње опсерваторије је трајала пуних десет година и коштало је око 700 милиона долара, а судећи по објављеним фотографијама рекло би се да је чекање – вредело.

За премијеру је изабрана живописна фотографија маглина Трифид и Лагуна у сазвежђу „Стрелац“: те маглине, чувене због свог импресивног колорита, заправо су огромни облаци гаса и прашине, 5.200 светлосних година далеко од нас, у којима се непрекидно рађају нове звезде. Утисак је потпуно упоредив са оним који смо имали када је амерички председник Џозеф Бајден објавио снимке које је 2022. године направио тек лансирани космички телескоп „Џејмс Веб“.

У првих 10 сати свог рада, телескоп у Чилеу је открио преко 2.000 нових астероида и детектовао 7 нових објеката у непосредној близини Земље. Поређења ради, све светске опсерваторије за годину дана рада открију око 10.000 астероида, нешто што ће опсерваторија „Вера Рубин“ далеко премашити у првом месецу своје експлоатације.

Када опсерваторија заврши своју мисију, каталог познатих објеката у Сунчевом систему биће бар десет пута дужи.

Богати спонзори

Откуд овако спектакуларни резултати још у почетној фази рада телескопа? Пре свега, ту је велики спонзор: читав подухват финансира „Америчка национална научна фондација“ иза које стоји моћно америчко министарство енергетике. Изградњу телескопа пратио је и добар маркетинг, тако да су значајна иницијална средства обезбедили бројни светски филантропи и богати љубитељи науке, међу њима и Бил Гејтс.

Посебно дарежљив био је Чарлс Симоњи са супругом Лизом. Чарлс је мађарски милијардер који је, између осталог, помогао Билу Гејтсу да осмисли „Windows“ оперативни систем, да би затим креирао неке од најпознатијих и најпопуларнијих Мајкрософтових програма као што су „Wоrd“ и „Еxcel“. У знак захвалности сам телескоп је на „крштењу“ добио име „Симоњи“.

Чак су и амерички политичари, традиционално резервисани за свако трошење пара које им неће прибавити нове гласаче, били неочекивано дарежљиви: амерички Конгрес је 2018. године, на сопствену иницијативу, издвојио додатна средства за финансирање изградње опсерваторије у жељи да она што пре буде завршена.

Здрава финансијска потпора омогућила је научницима да конструишу телескоп баш онако како су га и замислили. Телескоп има врхунску оптику састављену од три огледала: примарно огледало је највеће и има пречник од 8,4 метра, док су наредна два упола мања (3,4m и 4,8m). Иако је димензија примарног огледала импозантна, ово није највећи телескоп на свету – већ постоје три телескопа чији је пречник главног огледала већи од 10 метара (телескоп ГТЦ на Ла Палми, једном од Канарских острва, пречника 10,4m и два нешто мања телескопa, „Keck I“ и „Keck II“, смештена на вулканској планини Мауна Кеа на Хавајима), а у изградњи су још три чији ће пречник бити 3-4 пута већи; највећи од њих, у опсерваторији Паранал, такође у Чилеу и у власништву Европске јужне опсерваторије (ESO), биће пречника чак 39,3 метра и почеће са радом 2028. године.

Чиле као астрономска Мека

Опсерваторија „Вера Рубин“ налази се у северном делу Чилеа, на врху планине Серо Пачон, на око 2.700 метара надморске висине. Ако изузмемо два суседна телескопа, других трагова људског присуства тамо нема (оперативни центар опсерваторије налази се у месту Ла Серена које је 100 километара далеко).

Зашто су данас многи од највећих и најмоћнијих телескопа лоцирани баш у Чилеу? Пре свега, зато што Чиле на свом северу има пустињу Атакама која пружа идеалне услове за посматрање звезда. Пустиња гарантује око 300 дана годишње са потпуно ведрим ноћима, што астрономима омогућава да свакодневно посматрају небо без иједног облака на њему. Ваздух садржи минималне количине водене паре која је главни узрочник дисторзије слика у земаљским телескопима, нарочито у инфрацрвеном делу спектра.

Већина телескопа налази се истурена на локалним планинским врховима чија висина иде од 2.500 до 5.000 метара тако да је ваздух ређи, мрак савршен а слике беспрекорно оштре. Атмосфера изнад Атакаме је, уз то, незагађена, најчешће мирна и без турбуленција, тако да је линија вида стабилна и прозрачна.

На крају, поменимо да је Атакама „богу иза ногу“, њено средиште удаљено је десетинама километара од најближе људске насеобине, док је Сантјаго хиљаду километара јужније, тако да урбано „светлосно загађење“ практично не постоји. Додатни је плус и то што се из Чилеа види и јужна небеска хемисфера, део неба који се не види из Европе или САД.

Све то је као стратешки ресурс препознала и чилеанска држава која је традиционално наклоњена астрономији и, заједно са међународним организацијама, чини све да ресурсе Атакаме заштити од цивилизације, за добробит светске и чилеанске науке. Наравно, није само наука у питању: Чиле остварује велики приход од кирије коју наплаћује странцима, изнајмљујући им најбоља места за изградњу опсерваторија.

Због тога свака чилеанска улична лампа мора да има прописани облик, због тога није дозвољено шарати небо ватрометима и ласерима, због тога су ноћне утакмице и концерти на отвореном строго регулисани, због тога није дозвољена вожња кроз Анде са упаљеним дугачким светлима, чак и када је пут потпуно празан.

У близини телескопа режим је још строжи, тако да постоје рестрикције на употребу мобилних телефона, батеријских лампи... Жар цигарете није санкционисан, али цигарете јесу – најближа пепељара је 100 километара далеко.

У част Вере Рубин

Ко је Вера Флоренс Купер Рубин по којој је опсерваторија добила своје ново име (оно оригинално, „Large Synoptic Survey Telescope“, било је много теже за памћење)? Да бисмо разумели и схватили значај њених научних истраживања морамо да се вратимо у 1933. годину, када је швајцарски астроном Фриц Цвики закључио да са „Кома“ кластером (структуром у којој се налази више од 1.000 галаксија) „нешто није у реду“.

Наиме, када је срачунао колико видљиве материје има у осмотреним галаксијама и измерио брзине њиховог кретања, закључио је да у читавом кластеру нема довољно масе која би генерисала гравитациону силу довољно велику да кластер држи на окупу. Другим речима, „Кома“ кластер требало је да престане да постоји још пре много милијарди година.

Иако су Цвикијеви прорачуни били прилично груби, разлика у величини измерене и потребне масе била је толико велика да ту никакве двојбе није било. Цвики је закључио да „Кома“ кластер опстаје захваљујући томе што у њему постоји огромна количина невидљиве материје („Dunkle Materie“) коју не можемо да видимо. Без ове додатне масе, која вишеструко превазилази целокупну видљиву масу, кластер би се распао на саставне галаксије које би се растопиле у космичкој тами.

Цвики није пронашао неке додатне доказе који би поткрепили његова осматрања, а уз то, као особењак, није био ни нарочито популаран у научној заједници, па је његова теза о „дункл“ материји брзо пала у заборав.

Вера Рубин рођена је 1928. године у Филаделфији, а њен интерес за звезде и космичке тајне потиче још из предшколских дана. Срећом, имала је оца који је био спреман да је подржи и охрабри – први телескоп кроз који је погледала у звездано небо Вера је добила управо од њега, све то у време када је ретко која жена могла да рачуна на научну каријеру, што због експлицитних забрана, што због недостатка друштвене подршке.

С лакоћом је дипломирала на колеџу „Васар“ на коме је некада давно, у 19. веку радила Марија Мичел, прва Американка која је открила комету и прва професорка астрономије. Иако је била бриљантна студенткиња и једини астроном у генерацији, Вера Рубин је, и поред тога, наишла на бројне препреке када је одлучила да настави усавршавање. Универзитет у Принстону је, рецимо, одбио да је прими с образложењем да одељење за астрономију не прима жене.

Ни то није могло да је заустави, на крају је чак и профитирала јер се изборила за место на „Корнел“ универзитету, где је имала привилегију да учи од највећих умова тог доба међу којима су били генијални Ричард Фејнман (добитник Нобелове награде за допринос квантној физици) и Ханс Бете (још један лауреат Нобелове награде који је објаснио зашто Сунце сија). 

Када је на ред дошла израда докторске тезе, Вера Рубин се преселила на Универзитет „Џорџтаун“ како би могла да се посвети изучавању највећих космичких структура, галактичких кластера и супер-кластера којима се до тада мало ко бавио. Дошла је до закључка да се галаксије у космосу ретко када налазе потпуно изоловано, да су најчешће груписане у јата или дугачке ланце, што ће постати опште прихваћено тек неколико деценија касније.

До свог главног открића Вера Рубин ће доћи почетком седамдесетих година, са опсерваторије Кит Пик у Аризони, када је, користећи телескоп са огледалом пречника два метра и изузетно осетљив спектрограф који је конструисао њен колега Кент Форд, почела да проучава брзине кретања звезда у Андромеди, нама најближој галаксији.

Све галаксије ротирају око свог центра, а закон гравитације налаже да се звезде ближе центру крећу много брже од оних на периферији. Слично понашање јасно је уочљиво на много мањој размери, када посматрате планете Сунчевог система. Тако се, на пример, Земља креће око Сунца брзином од око 30 km/s. Јупитер је пет пута удаљенији али се зато креће и много спорије: једва 13 km/s.

Вера Рубин је очекивала да слична законитост важи и у галактичким размерама, али су је резултати мерења темељно демантовали: брзине којом су се звезде у Андромеди кретале око галактичког центра биле су такорећи константне, звезде на периферији галаксије имале су практично исту брзину као и оне сасвим близу центра. Штавише, периферне звезде кретале су се тако брзо да би напустиле галаксију уколико их нека додатна, невидљива маса својом гравитацијом не би држала на окупу. Тамна материја се на велика врата поново вратила у науку.

Током наредних година, Вера Рубин и други астрономи пронашли су обиље доказа да је свет око нас препун тамне материје, и да галаксије представљају тек видљива острва у неупоредиво већим и масивнијим облацима тамне масе која их окружује. Та маса не емитује светлост и на околину делује искључиво гравитационом силом.

Штавише, данас знамо да је количина „стандардне“ материје (материје коју видимо голим оком са којом смо свакодневно у контакту), бар пет пута мања од количине тамне материје која прожима читав космос и, заједно са тамном енергијом (коју ћемо оставити за неку другу прилику), одлучујуће утиче на еволуцију космоса. Захваљујући постојању тамне материје космос има паучинасту структуру, са галаксијама груписаним дуж чворова и нити те мреже и огрoмним празним просторимa између њих.

Међутим, до данашњег дана, природа тамне материје и честица од којих је она сачињена није одгонетнута. Сви покушаји да се тамна материја експериментално детектује остали су безуспешни, и поред тога што су детектори којe су научници конструисали како би ухватили макар трачак њеног постојања постали милион пута осетљивији у последњих десет година.

Без обзира на то, сви досадашњи експерименти завршени су комплетним неуспехом. Нема ни неке алтернативне теорије, без тамне материје, која би помирила природне законе и оно што видимо у космосу. И даље верујемо да је тамна материја свуда око нас (и у нама), али да ми једноставно не можемо да је осетимо јер је сувише ретка, пролази кроз нас потпуно неосетно и манифестује се само у колосалним, космичким размерама. Тамна материја је за космос оно што је ваздух за човека: нешто невидљиво, али свеприсутно и есенцијално важно.

Жене су, кроз историју и векове, најчешће биле маргинализоване, принуђене да се држе подаље од послова који су „природно“ припадали мушкарцима, укључујући ту и науку. Данас је ситуација свакако много боља, али је сексистички приступ остао да тиња и у модерним, либералним друштвима 20. века.

Иако се дуго сматрало да је само питање времена када ће Вера Рубин за откриће тамне материје добити Нобелову награду, то се никад није десило. Наставила је да се бави науком али је, како су године одмицале, све више била окренута својој великој породици. Родила је четворо деце, обдарила их је проницљивим, истраживачким духом и извела на научни пут који је и сама прошла.

Све док је имала снаге борила се за еманципацију жена, много њих никад не би почело да се бави науком да није било њене непоколебљиве подршке. Иако се афирмисала у астрономији, професији коју је изабрала, у њој је, као жена, била веома усамљена. Можда је због тога често одбијала да говори на научним скуповима где су говорници били искључиво мушкарци.

Била је и једна од првих жена која се „усудила“ да потражи радно место у престижној опсерваторији Паломар у Сан Дијегу. Улазак у ту „мушку јазбину“ није био нимало лак: примили су је невољно, а да би је додатно обесхрабрили рекли су јој да неће моћи много времена да проводи у опсерваторији јер у њој не постоји женски тоалет. Вера је исекла женску силуету од папира, залепила је на врата мушког WС-а и рекла: „Сада постоји.“

Иако је умрла далеко од очију јавности 2016. године након дуге борбе са деменцијом, њено дело инспирација је не само за амбициозне жене већ и за све оне који се баве науком, упркос несавршеним, чак и немогућим условима.

Нова опсерваторија у Чилеу названа је њеним именом.

У опсерваторији „Вера Рубин“

У односу на остале телескопе, главна предност телескопа у новој опсерваторији „Вера Рубин“ је у екстремној ширини његовог видног поља (такви телескопи зову се још и „синоптички“) и у камери невероватних могућности која прикупљену светлост конвертује у дигиталне фотографије.

Камера је велика као мањи аутомобил (1,6x3m) и способна је да на једном снимку ухвати комад неба који је 40 пута већи од пуног Месеца. Главни део камере представља највећи до сада конструисани оптички сензор од 3.200 мегапиксела (сваки пиксел представља једну обојену тачку).

Да бисте постигли сличну резолуцију (број тачака по хоризонтали и вертикали) користећи сензор уграђен у најмодернији „ајфон“, било би вам потребно бар 70 телефона. Што не значи да бисте тиме добили и идентичан квалитет – јер, постоји разлог зашто је конструкција камере на телескопу „Симоњи“ коштала 170 милиона долара.

Сензор је последњи оптички елемент у конструкцији чија је функција да информацију коју носи светлост претвори у дигитални облик, у низ нула и јединица који представља једну фотографију. Да бисте слику са опсерваторије репродуковали у пуној величини, било би вам потребно око 400 најсавременијих телевизора са подршком за 4К резолуцију.

Сензор има приближно кружни облик пречника 64 центиметра и није направљен изједна – састављен је интелигентним паковањем 189 мањих сензора, при чему сваки од њих изгледа као квадратна плочица ширине 45 милиметара, са резолуцијом од 16 мегапиксела.

Иако је свака плочица филигрански прецизно израђена, грешке су неминовне и током конструкције, и током монтаже, али је систем тако интелигентно осмишљен да те грешке може да елиминише чак и када откаже неколико блокова пиксела, па чак и читава сензорска плочица. Сваки пиксел, од преко 3 милијардe колико их сензор има, индивидуално се калибрише како би слике у сваком свом делу имале истоветан квалитет.

Да би се смањио термички утицај околине и шум који он уноси у слику, сензор се хлади све до радне температуре од -100^оC. Највећи део површине сензора учествује у генерисању фотографија, док се неколико рубних плочица користи за прецизно позиционирање и изоштравање слике.

Бескрајни низ фотографија

Телескоп је у стању да генерише једну комплетну фотографију на сваких 40 секунди, од чега на саму експозицију отпада 30 секунди, видећи притом све и не превиђајући било шта. С обзиром да је читава конструкција врло покретљива и да телескоп може да се фокусира на суседни део неба за само пет секунди, очекује се да он комплетира нови снимак читавог неба на свака три до четири дана. Чим заврши један циклус, телескоп започиње следећи, генеришући нове фотографије истих сегмената неба, понављајући један те исти процес у недоглед.

Током животног века телескопа који неће бити краћи од десет година, сваки сегмент неба биће фотографисан најмање 800 пута. Поента је да, када сакупите много снимака идентичних делова неба, те снимке можете да упоредите тражећи објекте који су се померили, који су се појавили, нестали или су се драстично променили. Кад год видите такву промену на неком од снимака, знаћете да се у међувремену у том делу неба нешто десило.

Поређење слика вршиће компјутерски програми, а свака промена на сукцесивним сликама генерисаће аларм свега 60 секунди након што је направљена последња фотографија у низу. На маркираним сликама наћи ће се експлозије супернова и магнетара (неутронских звезда са екстремно јаким магнетним пољем), нови квазари (галаксије са огромним, активним црним рупама у средишту), комете, астероиди, можда и „планета X“ за коју претпостављамо да обитава толико далеко од Сунца да је немогуће ухватити њен слабашни сјај (ако постоји, телескоп ће је највероватније усликати у првој години свог рада).

Границе Млечног пута

Ако нам се посрећи, можда видимо и неке сасвим нове објекте за које, са мање или више вероватноће, претпостављамо да постоје: звезде састављене од тамне материје или егзотичних честица као што су кваркови, бозони или аксиони, минијатурне црне рупе за које верујемо да су постојале у раној васиони, црвоточине (пречице) у простор-времену, „госте“ у Сунчевом систему (објекти екстра-соларног порекла који су ту само „у пролазу“), можда и знак постојања неке интелигентне космичке цивилизације... Мало маште никад није на одмет.

Нека открића могу буквално да спасу нашу планету тако што ће нам дати више времена да реагујемо: овакав телескоп може врло рано да препозна опасне астероиде који ће нам се једнога дана наћи на путу.

Комбиновањем безбројних снимака добићемо још детаљнију мапу Сунчевог система и читавог Млечног пута. Да ли је могуће да још увек не знамо све о својој матичној галаксији? Периферија Млечног пута практично је неистражена, досадашњи телескопи могли су да добаце до звезда које су 160.000 светлосних година далеко. Али Млечни пут има свој пратећи, тамни део у коме се крију давно одбачене звезде и планете или сателитске галаксије, које су толико бледе и далеке да их је тешко детектовати.

Са новом камером, граница је померена на преко милион светлосних година, што је довољно да видимо Млечни пут у тоталу, са досад невиђеним рубним детаљима. На крају, не заборавимо да је космос заправо један огроман времеплов – ако гледате довољно дубоко у васиону, видећете како је она изгледала пре много милијарди година.

„Вера Рубин“ треба да нам открије бројне тајне из историје свемира које се крију у делу прошлости који је још увек обавијен мраком: како се мењала дистрибуција тамне материје и тамне енергије током еона, да ли се експанзија свемира заиста убрзава, колико је космос заиста стар и како је он изгледао у раној младости...

Складиштење и обрада података

Камера са овако великим бројем пиксела генерише енормну количину података (око 200.000 фотографија годишње). Срећом, данашња „cloud“ инфраструктура, огромне фарме рачунарских капацитета које се налазе „тамо негде“ (заправо, широм света), омогућавају да све што телескоп сними буде ефикасно ускладиштено, а затим и обрађено.

Када једном буде у пуном погону телескоп ће сваке ноћи генерисати око 20 терабајта података: када бисте тај исти простор напунили музичким фајловима у МП3 формату, имали бисте музике за преко 20 година непрекидног слушања. Компјутери који буду обрађивали ове фотографије свакога дана ће на овим снимцима детектовати преко 10 милиона догађаја и феномена који су потенцијално интересантни за астрономе.

Наравно, то је огроман број и апсолутно је немогуће да група научника, ма колико велика она била, „ручно“ прегледа све оно што заслужује пажњу. Уместо тога, научници ће морати да се ослоне на компјутерску обраду у више дистрибуираних рачунарских центара, који ће из обиља потенцијално интересантних снимака изабрати оне који имају највећи потенцијал за додатна посматрања и нека нова открића.

Подаци сакупљени у опсерваторији у Чилеу биће преко посебног интернет-линка прво пребачени у матични центар у Калифорнији, јер сви подаци морају прво да прођу кроз филтер америчког Министарства одбране како би се елиминисао незнатни проценат слика од интереса за државну безбедност. Копија података одатле се шаље у Француску (Лион) и Британију (више градова), а један мањи део остаје у Чилеу како би и домаћи астрономи имали на чему да раде.

Само процесирање података радиће се паралелно у три земље: Американци треба да обраде око 35% података, Французи 40%, а Британци преосталих 25%. Географска дислоцираност гарантује да ништа од снимака неће бити изгубљено и да процес обраде фотографија неће бити прекинут чак и у случају велике хаварије у неком од регионалних рачунских центара.

Ако све буде ишло по плану, у наредних 10 година биће фотографисано 40 милијарди галаксија, звезда, комета, астероида и сакупљено око 500 петабајта података (ако бисте у овај простор сместили филмове у врхунском HD 4K квалитету, имали бисте шта да гледате наредних 8.000 година). Према речима стручњака са Oпсерваторије, количина информација биће већа од свега што је до сада написано на свим светским језицима још од сумерских времена.

Биће потребно неколико деценија да се сав овај материјал до краја истражи, али ће се у прво време научници фокусирати само на најинтересантније снимке са циљем да оно што има највећи научни потенцијал буде одмах и анализирано.

Материјал за све

Одабир таквих снимака из дневне базе од 10 милиона потенцијално занимљивих детаља, радиће седам „брокера“. Сваки брокер је један компјутерски програм који се паралелно извршава на стотинама виртуелних рачунара, и у себи садржи логику којом се одбацује оно што је познато и фаворизује оно што је нејасно или досад невиђено.

Неки брокери базирају се на вештачкој интелигенцији и неуронским мрежама и у стању су да, како време пролази, раде све квалитетнију селекцију. Други су, опет, базирани на класичним графичким алгоритмима, налик на оне из „Фотошопа“ који су веома брзи и у већини случајева дају одличне резултате.

Овај комбиновани приступ неопходан је како би се одржао корак са непрекидним приливом нових информација са опсерваторије. На крају читавог овог процеса, само ће мали број генерисаних упозорења, она која се односе на најинтересантније или досад невиђене феномене, завршити на столовима научника широм света који ће обавити њихову детаљну анализу или затражити додатна снимања.

То не значи да ће остатак материјала бити бачен – план је да на крају, што помоћу компјутера, што људским радом, буде истражено све што има макар и мали значај, али ће тај процес трајати још много деценија након што телескоп заврши своју мисију. На крају ће све бити јавно добро: план је да свака фотографија буде доступна свима најкасније две године од свог настанка.

И то није све: опсерваторија „Вера Рубин“ резервисала је 10% својих позамашних рачунарских капацитета за потребе академских институција, научника и талентованих аматера који желе да самостално истражују обиље прикупљених фотографија користећи неки свој метод преточен у компјутерски програм. Све што је вам је за то потребно (софтвер и пратећа упутства) већ се налази на интернету и редовно се ажурира, недостаје само добра идеја: шта да тражите и одакле да почнете. Јер, овај телескоп у себи има потенцијал за неколико Нобелових награда, треба само да вам се посрећи да пронађете иглу у пласту сена.