Zidentyfikowanie zabójczych asteroid: Nowe pomocne narzędzie

Doktor Ed Lu chce uratować Ziemię przed zabójczymi asteroidami. A przynajmniej, jeśli na drodze naszej planety znajdzie się jakaś wielka skała kosmiczna, to Lu, były astronauta NASA z doktoratem z fizyki stosowanej, chce ją znaleźć, zanim się z nią zderzymy — miejmy nadzieję, że z wieloletnim wyprzedzeniem i szansą na podjęcie jakichś działań. Fundacja B612, mało znana organizacja non-profit, w której złożeniu Ed Lu znacząco pomagał, ogłosiła już jak do tej odkrycie ponad 100 potencjalnie groźnych asteroid.

To samo w sobie nie jest jeszcze jakoś szczególnie godne uwagi. Nowe asteroidy są cały czas zgłaszane przez obserwatorów nieba na całym świecie. Obejmuje to hobbystów z teleskopami przydomowymi i robotami przeglądowymi, które systematycznie skanują nocne niebo w międzyczasie, zabijając czas, odwiedzając kasyno polskie lub zagraniczne, w zależności od miejsca, w jakim się znajdują.

Godne uwagi jest to, że fundacja B612 sama nie zaprojektowała nowego teleskopu, ani też nie wykonała żadnych nowych obserwacji nieba przy użyciu już istniejących teleskopów. Zamiast tego specjaliści finansowani przez B612 zastosowali każdą najnowocześniejszą technologię komputerową do analizy zdjęć wykonanej lata temu — analizie poddano ponad 412 000 zbiorów ze zbiorów zdigitalizowanych National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory (NOIRLab) — tak, aby odfiltrować asteroidy od ponad 68 miliardów gwiazd i innych źródeł kosmicznego światła uchwyconego na zdjęciach.

Asteroidy w Kosmosie

Obecnie z szacunkowej liczby około 25 000 asteroid znajdujących się w pobliżu Ziemi, które mają średnicę co najmniej 140 metrów, wykryto tylko około 40%. Pozostałe 60% — około 15 000 skał kosmicznych, z których każda może uwolnić energię równoważną setkom milionów ton TNT w zderzeniu z Ziemią — pozostaje niewykrywalna.

B612 współpracowała z Joachimem Moeyensem, absolwentem Uniwersytetu Waszyngtońskiego i jego promotorem, Mario Juricem, profesorem astronomii. Razem z kolegami z uniwersyteckiego Instytutu Intensywnych Badań w Astrofizyce i Kosmologii opracowali algorytm zdolny do badania obrazów astronomicznych nie tylko w celu identyfikacji punktów świetlnych, które mogą być asteroidami, ale także w celu odkrycia, które punkty światła na zdjęciach zrobionych w nocy to w rzeczywistości ta sama asteroida.

Zasadniczo naukowcy opracowali sposób na odkrycie tego, co zostało już wcześniej sfotografowane, ale jeszcze nie zostało zauważone. Zazwyczaj asteroidy są odkrywane, gdy ta sama część nieba jest fotografowana kilka razy w ciągu nocy. Wstęga nocnego nieba zawiera nieskończoną ilość punktów świetlnych. Odległe gwiazdy i galaktyki pozostają w tym samym układzie. Jednak obiekty znajdujące się znacznie bliżej w Układzie Słonecznym poruszają się szybko, a ich pozycja zmienia się w ciągu nocy.

Astronomowie nazywają serię obserwacji pojedynczego poruszającego się obiektu w ciągu jednej nocy „trackletem”. Analiza położenia obiektu wskazuje jego ruch, pokazując astronomom, gdzie powinni go szukać kolejnej nocy. Mogą również przeszukiwać starsze obrazy pod kątem tego samego obiektu.

Obserwacje astronomiczne

Wiele obserwacji astronomicznych, które nie są częścią systematycznych poszukiwań asteroid, nieuchronnie rejestruje asteroidy, ale tylko w jednym czasie i miejscu, a nie wielokrotne obserwacje potrzebne do opracowywania ich dokładnych ścieżek przemieszczania się. Na przykład zdjęcia NOIRLab zostały wykonane głównie przez 4-metrowy Teleskop Victora M. Blanco w Chile w ramach przeglądu prawie jednej ósmej nocnego nieba, aby zmapować rozkład galaktyk we wszechświecie. Dodatkowe cząstki światła zostały zignorowane, ponieważ nie były przedmiotem badań astronomów. „To tylko losowe dane w przypadkowych obrazach nieba” — powiedział dr Lu.

Ale dla Moeyensa i Jurica pojedynczy punkt świetlny, który nie jest gwiazdą ani galaktyką, jest punktem wyjścia dla ich algorytmu, który nazwali Bezśladowym Heliocentrycznym Odzyskiwaniem Orbity lub THOR:

• Ruch asteroidy jest dokładnie podyktowany prawem grawitacji.
• THOR buduje orbitę testową, która odpowiada obserwowanemu punktowi świetlnemu, zakładając określoną odległość i prędkość.
• Następnie oblicza, gdzie asteroida byłaby w kolejne i poprzednie noce.
• Jeśli w danych pojawi się punkt świetlny, może to być ta sama asteroida.

Jeśli algorytm może połączyć pięć lub sześć obserwacji w ciągu kilku tygodni, traktując je jako pochodzące od jednego obiektu, jest to obiecujący kandydat na odkrycie planetoidy.

Analiza teoretyczna orbit

W zasadzie istnieje nieskończona liczba możliwych orbit testowych do zbadania, ale wymagałoby to niepraktycznej złożoności obliczeń. W praktyce, ponieważ asteroidy są skupione wokół określonych orbit, algorytm musi wziąć pod uwagę tylko kilka tysięcy starannie wybranych możliwości. Mimo to obliczanie tysięcy orbit testowych dla tysięcy potencjalnych asteroid to gigantyczne zadanie do zgryzienia. Jednak pojawienie się chmury obliczeniowej — ogromnej mocy obliczeniowej i przechowywania danych rozproszonych w Internecie — umożliwia wykonanie tego zadania. Google wniósł wkład za pośrednictwem swojej platformy Google Cloud.

Do tej pory naukowcy przeszukali około jednej ósmej danych z jednego miesiąca, września 2013 r., dostępnych w archiwach NOIRLab. THOR obliczył tor przemieszczania się dla 1354 możliwych asteroid. Wiele z nich znajdowało się już w katalogu planetoid prowadzonym przez Centrum Pomniejszych Planet Międzynarodowej Unii Astronomicznej. Niektóre z nich były obserwowane wcześniej, ale tylko przez jedną noc, a uzyskany ślad nie był wystarczający, aby wiarygodnie określić ich orbitę.

Centrum Pomniejszych Planet Międzynarodowej Unii Astronomicznej potwierdziło dotychczas 104 obiekty jako nowe odkrycia. Plik NOIRLab zawiera dane z siedmiu lat, sugerujące, że na znalezienie czekają dziesiątki tysięcy asteroid. Obecnie algorytm jest skonfigurowany tak, aby znaleźć tylko asteroidy pasa głównego, które mają orbity między Marsem a Jowiszem, a nie asteroidy bliskie Ziemi, które mogą zderzyć się z naszą planetą. Identyfikacja asteroid znajdujących się w pobliżu Ziemi jest trudniejsza, ponieważ poruszają się szybciej.

Różne obserwacje tej samej asteroidy można rozdzielić pod względem czasu i odległości, a algorytm musi wykonać więcej obliczeń numerycznych, aby utworzyć połączenia. THOR może nie tylko odkrywać nowe asteroidy na podstawie starych danych, ale także przekształcać przyszłe obserwacje. Weźmy na przykład Obserwatorium Vera C. Rubin, wcześniej znane jako Large Synoptic Survey Telescope, obecnie budowane w Chile.

Ufundowane przez Narodową Fundację Nauki obserwatorium Rubin to 8,4-metrowy teleskop, który będzie wielokrotnie skanować nocne niebo, aby śledzić zmiany w czasie. Częścią misji obserwatorium jest badanie wielkoskalowej struktury Wszechświata i wykrywanie odległych wybuchających gwiazd, znanych również jako supernowe. Bliżej domu wykryje również wiele ciał mniejszych niż planeta krążąca wokół Układu Słonecznego.

Kilka lat temu niektórzy naukowcy sugerowali, że wzorce obserwacji teleskopu Rubina można dostosować tak, aby mógł identyfikować więcej ścieżek asteroid, a tym samym szybko lokalizować bardziej niebezpieczne, a jeszcze nieodkryte asteroidy. Ale ta zmiana spowolniłaby dalsze badania astronomiczne.

Jeśli algorytm THOR sprawdzi się dobrze z danymi Rubina, wówczas teleskop nie będzie musiał badać tej samej części nieba dwa razy w nocy i może pokryć dwa razy większy obszar.