Лэптопом по галактике

Лэптопом по галактике

2,5-метровый широкоугольный телескоп Слоуновского цифрового обзора неба в обсерватории Апачи-Пойнт, Нью-Мексико, с помощью которого были сделаны миллионы снимков космических объектов. Именно с исследования картотеки Слоуновского обзора начался проект коллективной науки «Галактический зоопарк». Фото: SPL/EAST NEWS

Проникновения непрофессионалов в науку принято бояться, но если увлеченных любителей по-настоящему много, они могут помочь ученым, участвуя в проектах CROWD SCIENCE, коллективной науки

В августе 2007 года молодая школьная учительница из Голландии Ханни ван Аркел рассматривала фотографии космических объектов на сайте своего кумира — бывшего гитариста группы Queen и одновременно ученого-астрофизика Брайана Мэя. Мэй указал источник фотографий — сайт проекта под названием Galaxy Zoo, «Галактический зоопарк», на котором непрофессиональные астрономы и вообще все, кому интересен космос, могут внести собственный небольшой научный вклад, помогая ученым распознавать объекты на сделанных автоматическими телескопами фотографиях.

Ханни зарегистрировалась на сайте и целую неделю рассматривала изображения далеких галактик, космических облаков и звезд, отмечая их форму и структуру в специальном вопроснике. Однажды, указав свойства очередной галактики (спиральная, закрученная против часовой стрелки) и уже нажав кнопку, чтобы перейти к следующему снимку, Ханни в последний момент заметила голубое пятно (на более поздних фотографиях оно выглядит зеленым) необычной формы чуть ниже фиолетовой спирали галактики.

Массовое наблюдение за звездами не в небе, а на экране компьютеров может принести науке ощутимую пользу. Фото: DIOMEDIA

Дотошная учительница вернулась на страницу назад, чтобы рассмотреть странную кляксу получше. Подобных пятен Ханни не видела ни на одном из снимков «Галактического зоопарка». Она выложила фотографию на форум проекта с подписью: «Никто не знает, что это за голубая штука?» Как оказалось, ответа не было ни у других участников Galaxy Zoo, ни у его создателей, ни у ученых.

Сегодня открытый Ханни ван Аркел космический объект, находящийся в районе спиральной галактики IC 2497 в 730 миллионах световых лет от нас в созвездии Малого Льва, носит официальное название Hanny’s Voorwerp (voorwerp на голландском языке как раз и значит «объект»), про него опубликовано множество научных статей. Природа «голубой кляксы», открытой обычной школьной учительницей, до сих пор полностью не ясна. По одной из последних версий, галактика IC 2497 вступила во взаимодействие с соседней галактикой, в центре которой находится крупная черная дыра. Под действием гравитации черной дыры возник отходящий от меньшей галактики газовый приливный хвост. Насыщаемая газом черная дыра стала квазаром и начала испускать излучение. Ионизированный излучением квазара приливный хвост, по всей видимости, и есть объект Ханни. Сейчас Hanny’s Voorwerp, спиральную галактику IC 2497 и другие соседние объекты специально наблюдают космические рентгеновские телескопы XMM-Newton и Suzaku, которые должны помочь окончательно разобраться с загадкой Ханни.

Проект Galaxy Zoo, благодаря которому увлеченной рок-звездами девушке удалось сделать открытие, касающееся звезд настоящих, был основан в 2007 году астрофизиками Кевином Шавински и Крисом Линтоттом из Оксфорда. Создатели рассказывают, что идея проекта родилась в пабе «Королевский дуб», расположенном неподалеку от их лаборатории. За некоторое время до судьбоносной встречи за пинтой пива у Шавински возникла гипотеза, касавшаяся процесса формирования звезд. Для того чтобы проверить ее, молодой ученый должен был просмотреть около миллиона фотографий, большинство из которых не видел ни один человек. Снимки были частью Слоуновского цифрового обзора неба (Sloan Digital Sky Survey), гигантской картотеки снимков, сделанных 2,5-метровым автоматическим широкоугольным телескопом в обсерватории Апачи-Пойнт, Нью-Мексико.

Безвылазно просидев над изображениями далеких галактик целую неделю, Шавински наконец выбрался в паб и пожаловался коллеге на однообразную работу. Нужно было всего-то классифицировать изображения галактик по простейшим морфологическим признакам: округлая или вытянутая, дисковая или эллиптическая и так далее. Работая целую неделю по 12 часов в сутки, Шавински смог обработать только 50 000 изображений. Для завершения классификации ему понадобилось бы около пяти месяцев, которые профессиональный ученый мог бы потратить куда полезнее.

Создать компьютерную программу, которая бы хорошо распознавала сделанные телескопом фотографии, практически невозможно, нужен человек, а еще лучше много людей. У Линтотта и Шавински возникла естественная мысль — привлечь к проекту волонтеров, любителей космоса без профессиональной подготовки. Легче всего было это сделать, конечно, через интернет.

Один из вопросов, на который должны ответить пользователи «Галактического зоопарка»: содержит ли галактика на изображении перемычку (бар)? Для верхней картинки ответ отрицательный, а для нижней — положительный, перемычку легко разглядеть. Фото: NASA, ESA, AND THE HUBBLE HERITAGE TEAM (STSCI/AURA); NASA, ESA, STSCI, CFHT, NOAO/AURA/NSF, GETTY/FOTOBANK.COM, NASA, ESA, W. KEEL (UNIVERSITY OF ALABAMA), AND THE GALAXY ZOO TEAM

*****
Уверенность астрофизиков в том, что кто-то захочет тратить время на занятие, показавшееся им самим слишком скучным, к тому же почти без шансов на публикации и славу — классические мотиваторы профессиональных ученых, — основывалась на успехе уже существовавших к тому времени проектов. Объемы информации, которую собирают разнообразные инструменты исследования космоса — от телескопов до автоматических станций — настолько велики, что для их обработки часто не хватает ни ученых, ни мощностей суперкомпьютеров.

C 1999 года работает придуманный в Калифорнийском университете в Беркли проект SETI@home. SETI расшифровывается как Search for ExtraTerrestrial Intelligence, «Поиск внеземного разума». Задача проекта — исследовать поступающие из космоса радиосигналы, пытаясь найти в них регулярно повторяющиеся элементы. Такие явно выделяющиеся на фоне шума сигналы могли бы означать существование разумной жизни за пределами Земли, способной к созданию радиооборудования. Объем данных, требующих анализа, невообразимо велик, и проект SETI@home использует метод распределенных вычислений: любой желающий может скачать специальное приложение, благодаря которому подключенный к интернету личный компьютер включается в большую сеть, выполняющую ресурсозатратную задачу обработки космических сигналов. Работа SETI@home на вашем компьютере займет только небольшую долю мощности его процессора, но объединенная сеть из миллионов компьютеров (на сегодня их чуть больше трех миллионов) имеет вычислительные способности, намного превосходящие мощности любых суперкомпьютеров.

 

В отличие от SETI, разработанный NASA в 2006 году проект Stardust@home требует от участника, которым может стать каждый, пожертвовать не столько быстродействием домашнего компьютера, сколько собственным свободным временем. Автоматическая межпланетная станция Stardust («Звездная пыль»), предназначенная для исследования кометы Вильда 2, была запущена в 1999 году. Одной из целей эксперимента был сбор вещества из хвоста кометы и космической пыли. Частицы космической пыли движутся с колоссальными скоростями, поэтому обычно их свойства изучают на основе характеристик столкновения с детекторами. Специальная технология, использованная в приборах АМС Stardust, позволяла уловить их и сохранить в почти нетронутом состоянии.

Капсула с образцами вернулась на Землю в 2006 году. Для изучения миллионов снимков собранного вещества, сделанных под микроскопом, в NASA решили обратиться к помощи добровольцев, создав специальный сайт. В 2010 году канадскому энтузиасту Брюсу Хадсону наконец удалось обнаружить на одном из снимков первый образец межзвездной пыли. Бывший служащий по уходу за территорией католической церкви, Хадсон в возрасте 39 лет пережил инсульт и в 2006-м, почти сразу после запуска проекта, включился в Stardust@home, просто чтобы чем-то занять время. Он проводил на сайте до 15 часов в день, рассматривая слайд за слайдом, — и не напрасно. Хадсону позволили дать имя найденной им частице. Он назвал звездную пылинку «Орион». Именно пример Stardust@home внушил Шавински и Линтотту , что классификацию галактик вполне можно переложить на плечи добровольцев в интернете. Простой сайт был запрограммирован достаточно быстро, и 14 июля 2007 года «Галактический зоопарк» заработал. Уже через сутки после того как Крис Линтотт написал о проекте на своей домашней странице, к нему присоединилось настолько много участников, что в час они классифицировали по 70 000 галактик. Еще через некоторое время число обрабатываемых за час изображений превосходило несколько «недель Кевина» — так в шутку создатели «Галактического зоопарка» назвали объем работы, которую Кевин Шавински успевал сделать за одну неделю.

Чтобы избежать разночтений при определении типов объектов, каждая картинка демонстрируется не одному, а нескольким добровольцам, и вариант классификации принимается, только если он совпал в 80 % случаев. Проведенные Шавински и Линтоттом проверки показали, что при таком подходе ошибки практически исключаются. Несмотря на то что для участия в проекте достаточно ознакомиться с совсем коротким руководством, интернет-волонтеры в среднем определяют тип галактик очень точно.

Объект Ханни (на мониторе ) мог возникнуть так:
1. Спиральная галактика IC 2497 (справа) входит в гравитационное взаимодействие с соседней галактикой
2. Под воздействием находящейся в центре IC 2497 массивной черной дыры от меньшей галактики отделяется приливный хвост
3. Насыщающаяся газом черная дыра «включается» как квазар и испускает излучение, ионизирующее часть приливного хвоста. Это ионизированное облако и есть объект Ханни

По мере развития проекта волонтерам предлагались для изучения все новые данные с различных телескопов. В настоящий момент используются снимки, сделанные телескопом «Хаббл», которые представляют космические объекты из намного более далеких от Земли областей Вселенной, по сравнению с фотографиями Слоуновского цифрового обзора неба.

Картотека морфологических типов галактик, собранная усилиями участников проекта, самая большая в мире, и она уже позволила подтвердить некоторые научные гипотезы, а некоторые — опровергнуть. Например, астрономы считали, что если галактика красного цвета, то она почти наверняка является эллиптической. Данные «Галактического зоопарка» показали, что это не так: около трети из классифицированных проектом красных галактик оказались спиральными. Новые результаты продолжают появляться и сегодня. Последние достижения проекта связаны с исследованием галактик с перемычкой (баром) — полосой из ярких звезд, пересекающих галактику. Благодаря «Галактическому зоопарку» выяснилось, что в красных спиральных галактиках перемычки встречаются в два раза чаще, чем в синих, а значит, наличие перемычки связано с замедлением звездообразования в галактике.

Проект успешно выполняет свою первоначальную задачу, но этим вклад «Галактического зоопарка» в науку не ограничивается. Сразу же после запуска вокруг сайта сложилось сообщество пользователей, которые хотели не только работать распознавателями образов, то есть выбирать для каждой галактики один из вариантов вроде «округлая» или «сигарообразная», но и обсуждать друг с другом увиденные снимки (возможно, увиденные ими первыми), делиться неожиданными находками и строить предположения об их возможном астрономическом значении. Самоорганизация участников проекта в виде комьюнити на форуме позволила им сделать самостоятельные открытия, чего Шавински и Линтотт не предполагали при создании «Галактического зоопарка». Пример такого открытия, сделанного не в лаборатории, а на интернет-форуме, — «галактики-горошины».

«Это обсуждение было начато в шутку — пользователи выкладывали сюда фотографии объектов, похожих на горошины. Но постепенно некоторые из нас заметили связь между «горошинами» и объектами двойной ионизации», — объясняет участник форума «Галактического зоопарка» Рик Ноувел. Невероятно, но обсуждение «горошин», ставшее вторым известным открытием «Галактического зоопарка» после объекта Ханни, начала все та же обычная школьная учительница Ханни ван Аркел. Впрочем, в отличие от «голубой кляксы» «зеленые горошины» не показались ей странными. Начав ветку форума с названием «Дайте горошинам шанс!», она просто хотела пошутить. Другие участники стали выкладывать фотографии похожих объектов и шутить про гороховый суп, а когда снимков набралось достаточно много, кто-то решил разобраться, что же это такое. Оказалось, что небольшие округлые пятна зеленого цвета на снимках из Слоуновского обзора неба — новый тип компактных галактик, имеющих очень высокую активность формирования звезд. В 2009 году в научном астрономическом издании — «Ежемесячных записках Королевского астрономического общества» (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society) — была опубликована статья, описывающая новый тип «галактик-горошин». В список ее соавторов вошли как профессиональные астрофизики, так и активные искатели «горошин» — пользователи форума «Галактический зоопарк». Вообще говоря, включение любителей в список соавторов — шаг достаточно формальный, во многих случаях они даже не способны разобраться в содержании статьи. Но он демонстрирует, что ученые готовы воспринимать непрофесссиональных энтузиастов науки не только как бесплатную рабочую силу, но и как самостоятельных исследователей.

1. Еще один вопрос «Галактического зоопарка»: может ли быть объект на картинке дисковой галактикой, сфотографированной «в профиль»? Для верхней картинки — нет, для нижней — конечно , да
2. Пользователю предлагается указать, имеет ли объект «комковатый вид» — обычно это означает, что галактика находится на ранней стадии формирования и еще не успела приобрести выраженную дисковую или спиральную форму. На верхней картинке — да, на нижней — нет
Фото: NASA AND THE HUBBLE HERITAGE TEAM (STSCI/AURA) (X2), NASA, ESA, AND THE HUBBLE HERITAGE (STSCI/AURA)-ESA/HUBBLE COLLABORATION (X2)

За без малого пять лет существования проекта наблюдения его участников стали основой для 30 статей, опубликованных в рецензируемых научных журналах. По большей части там используются статистические данные, полученные при простейшей визуальной классификации галактик, сделанной волонтерами. Но некоторые статьи посвящены непосредственным открытиям «смотрителей зоопарка» — объекту Ханни и «галактикам-горошинам». Достижения «Галактического зоопарка», безусловно, превзошли ожидания его создателей, и это дало повод к открытию на той же платформе аналогичных проектов, причем не только астрономических. В расширенном «Галактическом зоопарке», который называется Zooniverse, то есть «Зоовселенная», можно не только классифицировать галактики, но и изучать лунную поверхность, солнечную активность, исследовать исторические изменения климата Земли по записям бортовых журналов кораблей прошлого и позапрошлого веков и даже расшифровывать древнегреческие пергаменты.

Помимо «Галактического зоопарка» и выросшей из него «Зоовселенной», проекты crowd science — коллективной науки — активно развиваются в других областях, ранее малодоступных непрофессионалам, например в биологии, где возникают задачи-головоломки, в решении которых человеческий мозг может быть сильнее компьютера.

Количество сайтов, предлагающих делать открытия играючи, растет вместе с увеличением популярности «гражданской науки» — исследований, проходящих вне классических научных институций — университетов и лабораторий. Успешность некоторых проектов коллективной науки и сделанные гражданскими учеными научные открытия стали поводом для разговоров о том, что наука меняется. Она открывается для непрофессионалов, которым энтузиазм заменяет образование. Это не значит, что в эпоху интернета сложившаяся на протяжении нескольких столетий академическая элитарность науки стала тормозом для прогресса. Энтузиасты, участвующие в коллективных проектах, конечно, не способны заменить ученых. Но также они перестали быть сторонними наблюдателями и даже попадают в соавторы научных статей. Интернет открывает для любого человека возможность принять участие в научном исследовании, подобно любителям-натуралистам, с которыми активно переписывался Чарлз Дарвин в середине позапрошлого века. Небольшое научное открытие на досуге не сделает вас ученым, но разве это главное? Ханни ван Аркел, именем которой названо далекое светящееся облако, пишет на своем сайте: «Я так и осталась школьной учительницей, потому что именно это получается у меня лучше всего».

Коллективная биология

Разработанная центром биоинформатики McGill игра Phylo — это головоломка, в которой нужно передвигать квадраты, добиваясь совпадений по цветам. На самом деле эти квадраты соответствуют элементам биологических последовательностей — ДНК и РНК.

Решая головоломки, пользователи ищут оптимальные решения задачи из области биоинформатики, которая позволяет устанавливать эволюционные сходства видов живых существ. Оказалось, что людям, обладающим пространственным воображением и способностью к распознаванию образов, разгадка биологических головоломок дается легче, чем любым компьютерным алгоритмам. Весной этого года на основе результатов проекта Phylo вышла научная статья, подтверждающая эффективность подхода.

В 2008-м аналогичный проект запустил Университет Вашингтона. Похожая на объемный тетрис онлайн-игра Foldit, задачей которой также является решение головоломок, правда, уже трехмерных, на самом деле направлена на поиск оптимальных стратегий упаковки молекул белка. Знание структуры молекулы белка необходимо для того, чтобы понять его свойства и разработать лекарство, которое может на него воздействовать.

Эта важная биоинженерная проблема также не может быть оптимально решена только компьютерными методами, человеческий мозг во многих случаях оказывается эффективнее.

 
# Вопрос-Ответ