Δίσκοι πλανητικών υπολειμμάτων ανακαλύφθηκαν από “πολίτες επιστήμονες” και εικονική πραγματικότητα  

Νέα

Καθημερινοί άνθρωποι βοηθούν επαγγελματίες αστρονόμους να αναγνωρίσουν εκκολαπτόμενα πλανητικά συστήματα

Οι αστρονόμοι έχουν πολλά εργαλεία στη διάθεσή τους για τη μελέτη του σύμπαντος: τηλεσκόπια, δορυφόρους, διαπλανητικά διαστημόπλοια και πολλά άλλα. Σημαντικό μέρος αυτής της εργαλειοθήκης αποτελεί και το ταπεινό ανθρώπινο, καθώς συχνά μπορεί να ανιχνεύσει μοτίβα ή αποκλίσεις που ξεφεύγουν από τους αλγόριθμους. Και η εξονυχιστική δύναμη της όρασης μας ενισχύθηκε πρόσφατα από την εικονική πραγματικότητα (virtual reality – VR) καθώς και από χιλιάδες μάτια που δουλεύουν μαζί, χάρη στη δύναμη του πληθοπορισμού (crowdsourcing) στο διαδίκτυο.

Ερευνητές του “Goddard Space Flight Center” της NASA ανακοίνωσαν πρόσφατα την ανακάλυψη 10 αστέρων που περιβάλλονται από σκονισμένους δίσκους υπολειμμάτων -στροβιλιζόμενες συγκεντρώσεις αερίων, σκόνης και πετρωμάτων· απομεινάρια των πρώτων σταδίων του σχηματισμού των πλανητών. Τα αποτελέσματα, στα οποία μπορέσαμε να φτάσουμε χάρη στην VR και την βοήθεια των “πολιτών επιστημόνων”, δημοσιεύτηκαν πρόσφατα στο “Astrophysical Journal”. Τα ευρήματα θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους αστρονόμους να συνθέσουν μία χρονική σειρά για το πώς “χτίζονται” τα πλανητικά συστήματα.

Οι δίσκοι υπολειμμάτων (ή περιαστρικοί δίσκοι) περικλείουν διάφορα στάδια του σχηματισμού πλανητών, συμπεριλαμβανομένων των πρώιμων εποχών, κατά τις οποίες οι κόσμοι βρίσκονταν ακόμα εντός των κορημάτων που δημιούργησαν οι ακατάστατες, χαοτικές διαδικασίες της γέννησής τους. Παρά το ότι οι αστρονόμοι έχουν καταφέρει να δουν απευθείας μερικούς, οι περισσότεροι από αυτούς τους νεαρούς πλανήτες βρίσκονται πέρα ​​από τις δυνατότητες των σημερινών τηλεσκοπίων. Η δημιουργία ενός πλανητικού συστήματος διαρκεί εκατομμύρια χρόνια, επομένως κάθε δίσκος υπολειμμάτων που βλέπουν οι παρατηρητές αποτελεί απλώς ένα σύντομο στιγμιότυπο της ζωής αυτού του συστήματος. Για να αποκαλύψουν ολόκληρη την ιστορία, οι αστρονόμοι αναζητούν πολλά πλανητικά συστήματα με τέτοιους δίσκους -σε διαφορετικά στάδια εξέλιξης- έτσι ώστε να μπορέσουν να συγκεντρώσουν πολλά στιγμιότυπα και να τα συνδυάσουν, φτιάχνοντας έτσι μία χρονική σειρά.

Καλλιτεχνική απεικόνιση της εξέλιξης ενός πρωτοπλανητικού δίσκου σε έναν δίσκο υπολειμμάτων γύρω από ένα νεαρό αστέρι, μια διαδικασία που διαρκεί εκατομμύρια χρόνια. Επάνω δεξιά, ο πρωτοπλανητικός δίσκος είναι φωτεινός και γεμάτος σκόνη. Χρειάζονται περίπου 10 εκατομμύρια χρόνια για να ενωθούν οι πλανήτες και να δημιουργήσουν μονοπάτια μέσα από τη σκόνη. Τελικά, καθώς η ακτινοβολία του αστεριού αυξάνεται, ο πρωτοπλανητικός δίσκος εξελίσσεται σε δίσκο υπολειμμάτων. Οι ανιχνευτές δίσκων αναζητούν το υπερβολικό υπέρυθρο φως που χαρακτηρίζει και τα δύο είδη δίσκων.
NASA / JPL-Caltech

Για την αναζήτηση περιαστρικών δίσκων, οι παρατηρητές συνήθως ξεκινούν ψάχνοντας αστέρια που εμφανίζονται ιδιαίτερα φωτεινά στο υπέρυθρο. Αυτή η “μη φυσιολογική” φωτεινότητα συνήθως προέρχεται από μια υπεραφθονία σκόνης σε έναν δίσκο γύρω από τον αστέρα, η οποία θερμαίνεται από το φως του ίδιου του αστέρα. Το τηλεσκόπιο υπερύθρου WISE (Wide Field Infrared Survey Explorer) της NASA χαρτογράφησε ολόκληρο τον ουρανό, δημιουργώντας κάτι που θεωρείται -κατά κάποιο τρόπο- ο πιο ολοκληρωμένος έως σήμερα κατάλογος υπέρυθρων αστρικών μετρήσεων. Τι μπορεί να κάνει ένας επιστήμονας, όταν υπάρχουν δεκάδες χιλιάδες σημεία δεδομένων -που περιμένουν να αναλυθούν- και πολλοί δίσκοι υπολειμμάτων που πιθανά κρύβονται στον κατάλογο WISE;

«Είναι ένα εξαιρετικό παράδειγμα του πόσο πολύ απαιτεί, η σύγχρονη αστρονομία, ψάξιμο της “βελόνας στα άχυρα” μέσα σε τεράστια σετ δεδομένων», λέει η Meredith Hughes, αστρονόμος στο Πανεπιστήμιο Wesleyan, η οποία δεν συμμετείχε στη μελέτη. «Ακόμη και με τους αλγόριθμους μηχανικής μάθησης, είναι δύσκολο να εκπαιδεύσουμε τους υπολογιστές να εκτελέσουν το περίπλοκο έργο του εντοπισμού -γεμάτων θόρυβο- μοτίβων, όπως και το να αντιληφθούν πολύ μικρές αποκλίσεις από ό,τι θεωρείται αναμενόμενο· και σε αυτό το σημείο έρχεται η συλλογική διανοητική ισχύς της επιστήμης των πολιτών».

Ένα εγχείρημα με το όνομα “Disk Detective” εκπαίδευσε “πολίτες επιστήμονες” -μη ειδικούς που θέλουν να βοηθήσουν την έρευνα στον ελεύθερο χρόνο τους- να βλέπουν εικόνες του WISE και να τις συγκρίνουν με αυτές από άλλες αστρονομικές χαρτογραφήσεις, όπως το “SkyMapper Southern Sky Survey”, το “Pan-STARRS Survey” και “Two Micron All Sky Survey (2MASS)”, με στόχο την επιβεβαίωση της παρουσίας δίσκου γύρω από κάθε υποψήφιο αστέρι. Από την έναρξη του έργου το 2014, οι “πολίτες επιστήμονες” έχουν βρει περισσότερους από 40.000 δίσκους· αυτό ισοδυναμεί με 40.000 στιγμιότυπα της ιστορίας του πώς σχηματίζονται οι πλανήτες.

Ωστόσο, για να μπορέσουν οι αστρονόμοι να τις βάλουν σε μία χρονική σειρά, πρέπει να γνωρίζουν πού ανήκει η κάθε λήψη. Με άλλα λόγια, οι επιστήμονες πρέπει να γνωρίζουν τις ηλικίες κάθε αστεριού και του περιαστρικού του δίσκου. «Γνωρίζοντας τις ηλικίες των αστέρων και των πλανητών, μπορούμε να τους τακτοποιήσουμε σε μια σειρά – από παιδί, έφηβο έως ενήλικα, αν προτιμάτε», λέει ο Mark Kuchner, αστροφυσικός της NASA και συν-συγγραφέας της νέας μελέτης. «Αυτό μας επιτρέπει να καταλάβουμε το πώς σχηματίστηκαν και εξελίχθηκαν».

Ο προσδιορισμός της ηλικίας ενός αστεριού με ικανοποιητική ακρίβεια αποτελεί ένα δύσκολο πρόβλημα στην αστρονομία. Μια λύση είναι το να ταιριάξουμε ένα αστέρι με τα αδέρφια του, σε έναν συσχετισμό γνωστό ως κινούμενη ομάδα. Τα αστέρια συχνά δημιουργούνται σε σμήνη -από ένα γιγάντιο νέφος αερίου- αλλά πολλές από αυτές τις -κάποτε- στενές οικογένειες αστέρων αρχίζουν με τον χρόνο να παρασύρονται, με τα μέλη τους να διασπείρονται στον γαλαξία. Με ακριβείς μετρήσεις των θέσεων και των ταχυτήτων των αστέρων, οι ερευνητές μπορούν να εντοπίσουν ποια αστέρια εμφανίζουν κάποιες ενδεικτικές κινήσεις οι οποίες -ανιχνευόμενες προς τα πίσω- αποκαλύπτουν ότι αυτά γεννήθηκαν μαζί στον ίδιο χρόνο και τόπο. Από τη στιγμή που οι αστρονόμοι γνωρίζουν ότι τα αστέρια μιας ομάδας σχετίζονται, είναι εύκολο να υπολογίσουν την ηλικία τους βάσει της υπάρχουσας γνώσης για το πώς μεγαλώνουν και εξελίσσονται τα αστέρια.

Το να βρεθούν νέα μέλη κινούμενων ομάδων δεν είναι κάτι εύκολο. Για να το κάνουν αυτό, οι αστρονόμοι παραδοσιακά βασίζονται στην ανάλυση προϋπαρχουσών λιστών με αστέρια κινούμενων ομάδων, σημειώνοντας πιθανά νέα μέλη μέσω πολύπλοκων μαθηματικών μοντέλων. Η ομάδα πίσω από το νέο εγχείρημα ήθελε να δοκιμάσει κάτι διαφορετικό και σε μεγαλύτερο βάθος: να χρησιμοποιήσει λογισμικό VR για να περιηγείται ανάμεσα στα αστέρια, αποκτώντας μια πιο ξεκάθαρη, τρισδιάστατη οπτική των πραγμάτων.

«Σκέφτηκα πως θα φόβιζα [τους επιστήμονες VR της NASA] όταν τους είπα ότι θέλω να οπτικοποιήσω τις θέσεις και τις ταχύτητες τεσσάρων εκατομμυρίων αστεριών», λέει ο Kuchner. «Αλλά δεν φάνηκε να ιδρώνουν!» Για να δημιουργήσει αυτή την εικονική αστρική αφθονία, η ομάδα χρησιμοποίησε δεδομένα από το Gaia, έναν δορυφόρο της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας (ESA) που παρέχει τις καλύτερες διαθέσιμες μετρήσεις για τις θέσεις και τις ταχύτητες των αστεριών στον γαλαξία μας. Η προσομοίωση VR που προέκυψε λειτουργεί επίσης ως ένα είδος χρονομηχανής – το να γνωρίζει πόσο γρήγορα και προς ποια κατεύθυνση κινείτο ένα αστέρι, επέτρεψε στον Kuchner και στους συνεργάτες του να είναι σε θέση να ανιχνεύουν την πορεία του εμπρός και πίσω στον χρόνο.

Η επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης Susan Higashio, ενώ εργαζόταν ως επισκέπτρια ερευνήτρια στη NASA, χρησιμοποίησε τα γυαλιά VR για να πετάξει γύρω από τα εκατομμύρια αστέρια της προσομοίωσης. Εξέτασε το πού βρίσκονταν τα αστέρια με δίσκους σε σχέση με γνωστά κινούμενα σμήνη, και προεξέβαλε τις κινήσεις των αστεριών -εμπρός και πίσω στον χρόνο- για να ελέγξει τις πιθανές συσχετίσεις τους. «Ήταν πολύ συναρπαστικό όταν εμφανίστηκαν τα τέσσερα εκατομμύρια αστέρια στο VR, αλλά ζαλίστηκα λίγο όταν άρχισαν όλα να περιστρέφονται γύρω μου», θυμάται. «Ήταν πραγματικά ένας διασκεδαστικός και διαδραστικός τρόπος να κάνεις επιστήμη.»

Η Higashio “ακολούθησε” 10 από τους δίσκους υπολειμμάτων του “Disk Detective” πίσω στις οικογένειες των κινούμενων ομάδων τους. Στη συνέχεια, η ομάδα βρήκε τις εκτιμώμενες ηλικίες αυτών των δίσκων, οι οποίες κυμαίνονταν από 18 εκατομμύρια έως 133 εκατομμύρια χρόνια. Όλοι τους ήταν εξαιρετικά νέοι, σε σύγκριση με το ηλιακό μας σύστημα, το οποίο είναι περίπου 4,5 δισεκατομμυρίων ετών. Οι ερευνητές εντόπισαν επίσης μια εντελώς νέα κινούμενη ομάδα την “Smethells 165”, η οποία πήρε το όνομά της από το πιο λαμπρό αστέρι της. «Όποτε βρίσκουμε μια νέα κινούμενη ομάδα, αυτή αποτελεί μια νέα “φουρνιά” αστέρων των οποίων τις ηλικίες γνωρίζουμε με μεγαλύτερη ακρίβεια», εξηγεί ο Kuchner.

Η Higashio πετάει μέσα στον τον Γαλαξία σε εικονική πραγματικότητα. Σε αυτό το περιβάλλον, κάθε αστέρι είναι μια σημασμένη κουκκίδα που έχει κωδικοποιηθεί με πληροφορίες θέσης και ταχύτητας από το Gaia. Το λογισμικό προσομοιώνει τρισδιάστατες κινήσεις αστεριών. Τα 40.000 αστέρια με υποψήφιους δίσκους, που βρέθηκαν από τους “Disk Detectives”, είναι κωδικοποιημένα με χρώμα, οπότε η Higashio μπορεί να ελέγξει εάν κάποιο από αυτά συμπίπτει με νεαρές ομάδες αστεριών. Η Higashio λέει ότι «η εικονική πραγματικότητα αποτελεί σίγουρα έναν διασκεδαστικό και διαδραστικό τρόπο διεξαγωγής της επιστήμης!
NASA / Matthew Brandt

Οι αστρονόμοι βρήκαν επίσης έναν περίεργο, ακραίου τύπου, δίσκο υπολειμμάτων γύρω από ένα αστέρι με το παρατσούκλι J0925,ο οποίος που δεν ταιριάζει ιδιαίτερα στην αναμενόμενη χρονική σειρά του σχηματισμού πλανητών. Είναι πολύ πιο φωτεινός στο υπέρυθρο -που σημαίνει ότι περιέχει περισσότερη σκόνη- από όσο θα ανεμέναμε για ένα αστέρι της ηλικίας του. Καθώς γερνούν οι δίσκοι υπολειμμάτων, ένα μέρος της σκόνης τους καταλήγει -κινούμενο σπειροειδώς- στο αστέρι ή παρασύρεται από τους αστρικούς ανέμους. Ο J0925, ωστόσο, φαίνεται πως μόλις παρέλαβε μια νέα ποσότητα καυτής σκόνης, πιθανώς από μια πρόσφατη σύγκρουση μεταξύ δύο πρωτοπλανήτων. Η Hughes θεωρεί αυτό το αστέρι ως το πιο ενδιαφέρον αντικείμενο που αποκαλύφθηκε στη μελέτη. «Οι ακραίοι δίσκοι υπολειμμάτων εξακολουθούν να είναι λίγο μυστηριώδεις, αλλά πιθανά είναι παρόμοιοι με την εικόνα που θα εμφάνιζε το ηλιακό μας σύστημα κατά τη διάρκεια της γιγαντιαίας πρόσκρουσης που σχημάτισε την Σελήνη.

Το έργο των “πολιτών επιστημόνων” επάνω στο εγχείρημα του “Disk Detective” συνεχίζεται· ήδη έχει αναβαθμιστεί ώστε να χρησιμοποιεί τα πλέον πρόσφατα δεδομένα του Gaia. Η ομάδα ελπίζει να εντοπίσει ακόμη περισσότερα μέλη κινούμενων ομάδων και νέους δίσκους, με τη μοναδική VR μέθοδό της. Η Lisa Stiller, μία εκ των πολλών “πολιτών επιστημόνων” συν-συγγραφέων της μελέτης, ενθαρρύνει τους υποψήφιους εθελοντές. «Μη διστάσετε να βοηθήσετε ένα εγχείρημα επιστήμης των πολιτών», λέει. «Θα χρειαστεί η βοήθειά σας, όποια μορφή κι αν επιλέξετε και για όσο χρόνο επιλέξετε να αφιερώσετε.»

Οποιοσδήποτε έχει σύνδεση στο Διαδίκτυο μπορεί να συμμετάσχει στο έργο “Disk Detective”, χωρίς να απαιτείται εμπειρία. «Έχουν συνεισφέρει περισσότεροι από 30.000 “πολίτες επιστήμονες”», λέει ο Kuchner. «Οι ανιχνευτές δίσκων “Disk Detectives” εξακολουθούν να εργάζονται μέσα από εκατοντάδες χιλιάδες εικόνες του WISE – χρειαζόμαστε ακόμα τη βοήθειά σας.»

Πηγή:
https://www.scientificamerican.com 

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *