Ενα δίκτυο… Airbnb τηλεσκοπίων για τη μελέτη του ουρανού

Κάθε βράδυ εκατοντάδες τηλεσκόπια σε όλον τον κόσμο είναι στραμμένα προς στον ουρανό. Καθένα από αυτά «κοιτάει» μια διαφορετική περιοχή του, σε διαφορετικά μήκη κύματος, συνθέτοντας μέσα από τις παρατηρήσεις έναν λεπτομερή χάρτη του κόσμου που μας περιβάλλει. Τα άγρυπνα μάτια των ερευνητών που βρίσκονται από πίσω ψάχνουν απαντήσεις σε εκατοντάδες ερωτήματα. Πώς μπορεί να εξηγηθεί μια αναπάντεχη έντονη λάμψη; Τι βρίσκεται πίσω από τον γαλαξία; Στην εποχή των μεγάλων δεδομένων ένας τεράστιος όγκος πληροφοριών παράγεται από αυτές τις παρατηρήσεις. Πώς μπορούν όμως οι επιστήμονες να εκμεταλλευτούν τη σύγχρονη τεχνολογία ώστε να έχουν πρόσβαση τόσο σε όλα τα τηλεσκόπια της Ευρώπης όσο και στα δεδομένα τα οποία αυτά συλλέγουν; Την προηγούμενη εβδομάδα ανακοινώθηκε η δημιουργία του δικτύου ORP (OPTICON-RadioNet PILOT), το οποίο φιλοδοξεί να δώσει τη δυνατότητα στους αστρονόμους τόσο να αξιοποιήσουν όλο το δυναμικό των τηλεσκοπίων της Ευρώπης, ανάλογα με τις ανάγκες τους, όσο και να διαχειριστούν αποτελεσματικότερα τον μεγάλο όγκο παρατηρήσεων που πραγματοποιούνται κάθε βράδυ. Μιλήσαμε με τον αντιπρόεδρο του Διοικητικού Συμβουλίου του δικτύου και καθηγητή Παρατηρησιακής Αστροφυσικής στο Πανεπιστήμιο Κρήτης και διευθυντή του Ινστιτούτου Αστροφυσικής στο ΙΤΕ Βασίλη Χαρμανδάρη, ο οποίος περιέγραψε στο ΒΗΜΑ-Science τον τρόπο με τον οποίο το πρόγραμμα αυτό έρχεται να απαντήσει σε κάποια βασικά διακυβεύματα της σύγχρονης Αστρονομίας.

Ενα νέο μεγάλο
δίκτυο

«Στην Ευρώπη υπήρχαν μέχρι πρότινος δύο συνεργατικά δίκτυα τα οποία στήριζαν δράσεις Αστρονομίας. Το ένα λέγεται OPTICON και αφορούσε περισσότερο την Αστρονομία στο οπτικό και στο κοντινό υπέρυθρο και το άλλο RadioNet και αφορούσε τη Ραδιοαστρονομία», εξηγεί ο έλληνας αστρονόμος, συμπληρώνοντας ότι «τα δίκτυα αυτά λειτουργούσαν για περίπου 20 χρόνια. Ο στόχος και των δύο ήταν να αναπτυχθούν τόσο η τεχνολογία και οι πρακτικές ανάλυσης δεδομένων από τους ερευνητές όσο και η εκπαίδευση των νέων επιστημόνων στην Οπτική Αστρονομία και στη Ραδιοαστρονομία». Στο νέο πιλοτικό πρόγραμμα ORP, το οποίο συντονίζεται από το Εθνικό Κέντρο Επιστημονικής Ερευνας (CNRS) της Γαλλίας, το δυναμικό των δύο αυτών δικτύων ενώνεται δημιουργώντας μια μεγαλύτερη δομή. «Τα δίκτυα είχαν ωριμάσει και αυτό που από πλευράς στρατηγικής αποφάσισε η Ευρωπαϊκή Ενωση ήταν να ενωθούν για να δημιουργηθεί ένας μεγαλύτερος οργανισμός, ο οποίος αφενός να καλύψει όλες τις ανάγκες της επίγειας αστρονομίας και αφετέρου να μπορέσει να μετεξελιχθεί έτσι ώστε να είναι πιο ευέλικτος για να εξυπηρετήσει νέες ερευνητικές ανάγκες οι οποίες θα εμφανιστούν στο μέλλον» εξηγεί ο έλληνας αντιπρόεδρος του Διοικητικού Συμβουλίου του δικτύου.

Airbnb… για
τηλεσκόπια

Από την Ελλάδα, στο καινούργιο δίκτυο συμμετέχουν το Εθνικό Αστεροσκοπείο Αθηνών και το Ινστιτούτο Αστροφυσικής του Ιδρύματος Τεχνολογίας και Ερευνας (ΙΤΕ) στην Κρήτη. Ως διευθυντής του Ινστιτούτου Αστρονομίας Αστροφυσικής Διαστημικών Εφαρμογών και Τηλεπισκόπησης του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών κατά την περίοδο 2013-2018, ο δρ Χαρμανδάρης διαδραμάτισε καθοριστικό ρόλο ώστε το τηλεσκόπιο 2,3 μέτρων «Αρίσταρχος» στα Καλάβρυτα να ενταχθεί το 2015 στο δίκτυο OPTICON. Στο πλαίσιο του δικτύου αυτού, ερευνητές από όλη την Ευρώπη είχαν τη δυνατότητα να χρησιμοποιήσουν μια σειρά από οπτικά τηλεσκόπια, μεταξύ των οποίων και τον «Αρίσταρχο», με το δίκτυο να καλύπτει το αντίστοιχο κόστος λειτουργίας τους. Η πρακτική αυτή στο νέο πιλοτικό πρόγραμμα παίρνει μια πολύ πιο ευέλικτη μορφή (με πρωτοβουλία μάλιστα του έλληνα ερευνητή): στόχος είναι να δημιουργηθεί μια ψηφιακή πλατφόρμα βραχυχρόνιας χρήσης των τηλεσκοπίων μικρού και μεσαίου μεγέθους, αντίστοιχη σε δομή του γνωστού μας Airbnb. Σε αυτή, κάθε τηλεσκόπιο θα αξιολογείται από τους χρήστες του και οι ενδιαφερόμενοι θα μπορούν να δεσμεύσουν, για όσα βράδια επιθυμούν, το τηλεσκόπιο που καλύπτει τις επιστημονικές ανάγκες τους, εφόσον αυτό είναι διαθέσιμο. Το αντίτιμο για τη χρήση των τηλεσκοπίων θα είναι ακαδημαϊκής φύσεως: οι ερευνητές των ιδρυμάτων στα οποία ανήκουν τα τηλεσκόπια και οι οποίοι θα βοηθούν στη λήψη των παρατηρήσεων θα συμπεριλαμβάνονται στις επιστημονικές δημοσιεύσεις που θα προκύψουν. «Ας υποθέσουμε ότι ένας αστρονόμος έχει μια ιδέα για το πώς θα μπορούσε να απαντήσει σε ένα επιστημονικό ερώτημα χρησιμοποιώντας κάποια μικρά τηλεσκόπια. Δεν γνωρίζει όμως ποια είναι διαθέσιμα, με τι όργανα είναι εξοπλισμένα, εάν λειτουργούν σωστά ή όχι. Οπότε αυτό που θα αναπτύξουμε είναι το εξής: όπως ένα ταξιδιώτης συνδέεται στο Airbnb και βλέπει φωτογραφίες και τι αξιολογήσεις έχει ένα διαμέρισμα, έτσι θα μπορεί ένας αστρονόμος να έχει ομοιόμορφη πληροφόρηση για τα διαθέσιμα τηλεσκόπια, να αξιολογεί άμεσα τι προδιαγραφές έχει το καθένα καθώς και να πληροφορείται εάν οι προηγούμενοι χρήστες ήταν ικανοποιημένοι ή όχι» εξηγεί ο έλληνας ερευνητής. Οπως αντιλαμβάνεται λοιπόν κανείς, η δημιουργία ενός τέτοιου δικτύου συνεισφέρει τόσο στην περαιτέρω ανάπτυξη συνεργασιών ανάμεσα σε ερευνητές όλης της Ευρώπης όσο και στην καλύτερη χρήση των αστρονομικών υποδομών.

Διαχείριση μεγάλου όγκου δεδομένων

Σε αυτή την κατεύθυνση θα συμβάλει και ένα άλλο σκέλος του πιλοτικού δικτύου, το οποίο αποσκοπεί στην πιο αποτελεσματική επεξεργασία των δεδομένων τα οποία συλλέγονται από τις παρατηρήσεις των τηλεσκοπίων όλης της Ευρώπης. «Υπάρχουν πολλές αστρονομικές παρατηρήσεις οι οποίες βρίσκονται σε βάσεις δεδομένων. Ο ουρανός έχει ήδη φωτογραφηθεί σε πάρα πολλά μήκη κύματος, ενώ λειτουργούν τηλεσκόπια τα οποία κάθε βράδυ φωτογραφίζουν συστηματικά όλον τον ουρανό. Ο όγκος των δεδομένων που δημιουργείται είναι τεράστιος, ενώ παράλληλα είναι πρακτικά ιδιαίτερα δύσκολο να αποθηκεύονται όλα» εξηγεί ο καθηγητής.

Με ποιον τρόπο λοιπόν μπορούν να αξιοποιηθούν αυτές οι παρατηρήσεις για να κατανοήσουμε καλύτερα το Σύμπαν; Οπως εξηγεί ο έλληνας αστρονόμος, μια μέθοδος είναι οι διαδοχικές φωτογραφίες του ουρανού που συλλέγονται να «αφαιρούνται» η μία από την άλλη σε πραγματικό χρόνο, ώστε να εντοπίζονται και να αποθηκεύονται μόνο οι λίγες διαφορές μεταξύ των ίδιων, κατά τα άλλα, εικόνων. «Με αυτόν τον τρόπο βλέπουμε τι διαφορετικό εμφανίστηκε ανάμεσα σε δύο εκθέσεις. Δηλαδή ενώ στο παρελθόν αποτυπώναμε μόνο χωρικά το τι υπάρχει στον ουρανό, τώρα παρατηρούμε τη χρονική μεταβολή του. Αν μπορεί να γίνει πολύ γρήγορα αυτή τη διαδικασία, θα δούμε με ποιον τρόπο μεταβάλλονται τα παροδικά φαινόμενα από ώρα σε ώρα. Σήμερα, πραγματικά καινοτόμο είναι να ανακαλύψουμε νέα φυσικά φαινόμενα τα οποία μπορούν να εμφανίζονται ξαφνικά και να διαρκούν πολύ λίγο». Εχοντας στη διάθεσή τους την απαραίτητη τεχνολογία με κάμερες πολύ υψηλής ανάλυσης και υπολογιστές με εξαιρετικά μεγάλες δυνατότητες επεξεργασίας, αυτό που λείπει από τους ερευνητές είναι η αποτελεσματικότερη διαχείριση όλων αυτών των δεδομένων, κάτι που θα δημιουργούσε πρόσφορο έδαφος για καινούργιες ανακαλύψεις. «Τι αλγορίθμους θα πρέπει να αναπτύξουμε ώστε να ανακαλύπτουμε και να κατηγοριοποιούμε πολύ γρήγορα και με βάση τις ιδιότητές τους φυσικά φαινόμενα που εμφανίζονται ως αμυδρές μεταβολές σε διαδοχικές φωτογραφίες που παίρνουμε;». Τέτοιου είδους ερωτήματα θα απασχολήσουν όλους όσοι εμπλέκονται στο νέο πιλοτικό πρόγραμμα. «Είναι ενδιαφέρουσα πρόκληση, επειδή, παρ’ όλο που δεν θα απαντήσει σε ένα συγκεκριμένο επιστημονικό ερώτημα, παραδείγματος χάριν,γιατί έγινε η Μεγάλη Εκρηξη η οποία δημιούργησε το Σύμπαν μας ή ποιο είναι το πιο μαζικό αστέρι στον γαλαξία μας, δημιουργεί το πλαίσιο μέσα από το οποίο μια καινούργια ανακάλυψη είναι εφικτή» καταλήγει ο έλληνας ερευνητής.

Ανάμεσα στους στόχους του νέου προγράμματος βρίσκεται και η ανάπτυξη δωρεάν λογισμικού ανοιχτού κώδικα, στο οποίο θα μπορούν να παρεμβαίνουν οι ερευνητές όταν εντοπίζουν κάποια ατέλεια ή όταν επιθυμούν να προσθέσουν κάποια δυνατότητα για να αναλύσουν τις παρατηρήσεις τους. Η Αστρονομία λοιπόν εισέρχεται σε μια φάση που θα αξιοποιεί σε μεγαλύτερο βαθμό τις σύγχρονες δυνατότητες που προσφέρει το Διαδίκτυο – και αυτό μόνο ενθαρρυντικό μπορεί να είναι!

Στο μέλλον πρόσβαση και από ερασιτέχνες

«Στόχος είναι να γίνει μία ευέλικτη αυτοδιαχείριση από τους ενδιαφερόμενους επιστήμονες» σημείωσε ο δρ Βασίλης Χαρμανδάρης αναφερόμενος στην πλατφόρμα βραχυχρόνιας μίσθωσης τηλεσκοπίων, η οποία πιθανόν στο μέλλον να συμπεριλάβει και τους ερασιτέχνες, συμπληρώνοντας ότι «μπορεί ένας επαγγελματίας αστρονόμος να απαντήσει σε ένα ενδιαφέρον ερευνητικό πρόβλημα χρησιμοποιώντας ένα τηλεσκόπιο που έχει ένας καλός ερασιτέχνης, και να μη χρειάζεται απαραίτητα πολύ μεγάλα τηλεσκόπια».

Οι έλληνες ερευνητές και η θέση της Ελλάδας

«Αν και η Ελλάδα είναι μια μικρή χώρα με περιορισμένες ερευνητικές υποδομές και λίγους επιστήμονες συγκριτικά με άλλες χώρες, έχει αρχίσει να δημιουργείται μία παράδοση με ικανούς Ελληνες που αποκτούν θετικές εμπειρίες από το εξωτερικό και επιστρέφοντας στη χώρα μας προσφέρουν κάτι καλύτερο στις επόμενες γενιές. Θεωρώ ότι ερευνητικά στην αστροφυσική βρισκόμαστε σε πολύ καλή θέση σήμερα» αναφέρει ο καθηγητής Βασίλης Χαρμανδάρης.

Πρακτικές εφαρμογές επί της Γης

Η έρευνα στην Αστρονομία δεν δίνει μόνο απαντήσεις στην περιέργεια του ανθρώπου για το τι υπάρχει πέρα από τη Γη, αλλά δημιουργεί και εργαλεία για πρακτικές εφαρμογές… επί της Γης. Ενα πρόσφατο παράδειγμα σχετίζεται με την ανάπτυξη της τεχνολογίας για τον ακριβή εντοπισμό αντικειμένων μέσα από την ατμόσφαιρα που «τρεμοπαίζει». «Ενα από τα προβλήματα που έχουμε στην Αστρονομία είναι ότι η ατμόσφαιρα τρεμοπαίζει όταν κάνουμε παρατηρήσεις από την επιφάνεια της Γης. Αν βγάλουμε μια φωτογραφία με μεγάλο χρόνο έκθεσης, θα εμφανιστεί κουνημένη» αναφέρει ο καθηγητής Βασίλης Χαρμανδάρης. «Ενας τρόπος να το διορθώσουμε αυτό είναι παράλληλα με την παρατήρηση του ουράνιου σώματος που μας ενδιαφέρει να βγάζουμε συγχρόνως πάρα πολλές φωτογραφίες από ένα φωτεινό αστέρι που βρίσκεται στην ίδια περιοχή του ουρανού, το οποίο γνωρίζουμε ότι είναι η σημειακή πηγή, και να παραμορφώνουμε τα κάτοπτρα του τηλεσκοπίου μας έτσι ώστε πάντοτε το φως που έρχεται να πέφτει παράλληλα πάνω στην ψηφιακή μας φωτογραφική μηχανή». Οπως σημειώνει ο ερευνητής, η τεχνολογία αυτή αξιοποιήθηκε από μια γαλλική εταιρεία, η οποία προέκυψε ως τεχνοβλαστός από το πρόγραμμα OPTICON. Η εταιρεία έχει αναπτύξει κάμερες και οπτικά συστήματα τα οποία, χρησιμοποιώντας ανάλογες μεθόδους, εντοπίζουν γρήγορα και με μεγάλη ακρίβεια συντρίμμια που συχνά πέφτουν στον αεροδιάδρομο καθώς ένα αεροπλάνο απογειώνεται. Η χρήση της «αστρονομικής» αυτής τεχνολογίας είναι απαραίτητη, μια και όταν η θερμοκρασία είναι πολύ υψηλή, καθώς ο ζεστός αέρας ανεβαίνει από το τσιμέντο του αεροδιαδρόμου σε υψηλότερα στρώματα, δημιουργεί ένα τρεμόπαιγμα. Με την αυτόματη διόρθωση που επιτελείται, οι κάμερες μπορούν να ανιχνεύσουν με ακρίβεια αν υπάρχει κάποιο εμπόδιο στον αεροδιάδρομο και πού ακριβώς βρίσκεται αυτό.

Συνδυασμός παρατηρήσεων από πολλά μήκη κύματος

Το δίκτυο ORP έρχεται να υποβοηθήσει μια προσέγγιση των αστρονόμων η οποία στην αγγλική γλώσσα ονομάζεται «multi-messenger» και έχει ήδη οδηγήσει μεταξύ άλλων σε δύο σπουδαίες ανακαλύψεις: τον προσδιορισμό των πηγών που προκαλούν ξαφνική εκπομπή τεράστιων ποσοτήτων ακτίνων-γ και την ανίχνευση της προέλευσης των βαρυτικών κυμάτων. Η προσέγγιση αυτή χρησιμοποιεί τον συνδυασμό παρατηρήσεων από πολλά μήκη κύματος. «Και τα δύο φαινόμενα που έχουν ανακαλυφθεί με αυτή την προσέγγιση έχουν να κάνουν με εκρήξεις» σημειώνει ο ερευνητής Βασίλης Χαρμανδάρης. «Το πρώτο, στο οποίο έχει συνεισφέρει σημαντικά και η διάσημη ελληνίδα αστροφυσικός Χρύσα Κουβελιώτου, ήταν οι εκρήξεις ακτίνων-γ. Μέχρι πριν από περίπου 25 χρόνια δεν γνωρίζαμε τι τις προκαλούσε. Παρατηρήθηκαν για πρώτη φορά την περίοδο του Ψυχρού Πολέμου από τους Αμερικανούς, οι οποίοι είχαν στείλει δορυφόρους για να διερευνήσουν αν οι Ρώσοι πραγματοποιούσαν κρυφές πυρηνικές δοκιμές, μια που αυτές συνοδεύονταν από εκπομπή ακτίνων-γ. Οι δορυφόροι όμως αυτοί, προς μεγάλη έκπληξη όλων, κατέγραψαν και έντονες εκρήξεις ακτίνων-γ που προέρχονταν από το Διάστημα. Η κατανόηση της πηγής αυτών των εκρήξεων έγινε δυνατή μόνο όταν δορυφόροι νεότερης τεχνολογίας τις παρατήρησαν και με την χρήση των ακτίνων-Χ, προσδιορίζοντας πολύ γρήγορα την ευρύτερη περιοχή του ουρανού από όπου προέρχονταν, ώστε στη συνέχεια οπτικά τηλεσκόπια να μπορέσουν να στραφούν προς αυτή και να ανακαλύψουν το ακριβές σημείο της έκρηξης, πριν αυτό προλάβει να εξαφανιστεί». Ενα πιο πρόσφατο αντίστοιχο εύρημα έχει να κάνει με την ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων. «Το 2015 ξεκίνησε η ανίχνευση σύγκρουσης μελανών οπών μέσω της μέτρησης των κυμάτων βαρύτητας που εκπέμπουν, η οποία μάλιστα βραβεύτηκε με το Νομπέλ Φυσικής το 2017. Οι βαρυτικοί ανιχνευτές όμως δεν έχουν τη διακριτική ικανότητα να εντοπίσουν την ακριβή προέλευση των βαρυτικών κυμάτων. Μπορούν μόνο να μας πουν πόσο μακριά βρίσκεται η πηγή τους. Τον Αύγουστο του 2017 για πρώτη φορά παρατηρήθηκε η εκπομπή βαρυτικών κυμάτων από σύγκρουση δύο αστέρων νετρονίων. Οι επιστήμονες ανίχνευσαν τα κύματα βαρύτητας και παράλληλα έκαναν παρατηρήσεις και σε πολλά άλλα μήκη κύματος. Ετσι, με πολλαπλές παρατηρήσεις μπόρεσαν να προσδιορίσουν με λεπτομέρεια όλες τις φυσικές παραμέτρους του φαινομένου».