Błyski na niebie

Tajemnicze zjawisko

Rozbłysk gamma (ang. Gamma-Ray Burst – GRB) pierwszy raz zaobserwowano w latach 60. za pomocą satelitów szpiegowskich poszukujących śladów prób atomowych w czasach zimnej wojny. Rozbłyski zachodzą w najbardziej odległych – o miliardy lat świetlnych – częściach Wszechświata. Są jedną z form energii uwalnianych podczas termojądrowego wybuchu supernowej, będącego jednym z ostatnich stadiów życia bardzo ciężkich gwiazd (poprzedzającym powstanie czarnej dziury). Energia rozbłysku jest ogromna. Gdyby doszło do niego w naszej galaktyce, na Ziemi prawdopodobnie zamarłoby wszelkie życie. Na szczęście zjawisko zachodzi głównie w młodych galaktykach – dużo młodszych niż galaktyka Drogi Mlecznej, w której znajduje się Ziemia. W 2004 roku NASA wystrzeliła w przestrzeń kosmiczną satelitę Swift, który wyposażono w aparaturę przeznaczoną do obserwacji rozbłysków gamma. Błysków poszukują także liczne obserwatoria naziemne.

Transmisja z Chile

Cyfrowe teleskopy są umieszczone na terenie Obserwatorium Uniwersytetu Warszawskiego w Las Campanas – w chilijskiej części Andów. Wybór tego miejsca na obserwatorium nie jest przypadkowy. Liczba pogodnych nocy (gdy chmury nie przesłaniają nieba) przekracza w Las Campanas 300 rocznie, atmosfera jest pozbawiona zanieczyszczeń, a brak dużych miast w pobliżu sprawia, że w nocy na niebie nie ma świetlistej łuny charakterystycznej dla metropolii.

Kamery znajdują się w zamykanych na dzień boksach, których dachy są otwierane na czas nocnych obserwacji. Obok znajduje się pomieszczenie, w którym stoi komputer z oprogramowaniem do obsługi kamer, tzw. DAQ stworzonym w języku C++. Jednym z głównych elementów DAQ jest sterownik kamery, który pozwala komunikować się z urządzeniem za pomocą internetu z każdego zakątka świata. Drugi ważny element tej aplikacji zbiera zarejestrowane dane. Każda z kamer wykonuje zdjęcie co 2–10 sekund. Pojedyncza fotografia „waży” około 8 MB, a objętość danych pozyskanych podczas jednej nocy obserwacji to około 25 GB. Zdjęcia są poddawane kompresji, która zmniejsza zajmowaną przez nie przestrzeń dyskową około dwukrotnie. Skompresowane dane trafiają w postaci transmisji strumieniowej do Polski za pośrednictwem internetu. Transmisję na żywo z kamer Pi of the Sky można oglądać pod adresem http://grb.fuw.edu.pl/pi/ w sekcji sky view.

DAQ jest tylko jednym z elementów systemu informatycznego używanego w eksperymencie. Nazywa się PiMan i pośredniczy w komunikacji między zautomatyzowanym obserwatorium a naukowcami. Pobiera także dane potrzebne do planowania obserwacji. Dane pochodzą z systemu Global Telescope Network, w którego skład wchodzą wszystkie teleskopy wykorzystywane do obserwacji rozbłysków gamma. Gdy któreś z obserwatoriów zarejestruje rozbłysk, informacja o tym trafia do GTN, a inne teleskopy kierowane są na obszar rozbłysku. Oprócz danych z GTN do PiMan trafiają także informacje o obszarach obserwacji satelitów Swift i HETE, które również poszukują rozbłysków.

Największy sukces

Dnia 19 marca bieżącego roku cyfrowy teleskop eksperymentu Pi of the Sky jako pierwszy wykrył widzialną poświatę towarzyszącą największemu w historii rozbłyskowi gamma. Doszło do niego 7,5 miliarda lat świetlnych od Ziemi. Mniej więcej w połowie drogi do krańca widzialnego Wszechświata. Promieniowanie gamma rozbłysku nazwanego GRB080319 B zarejestrował satelita Swift i tym samym potwierdził odkrycie polskich naukowców. Zjawisko było tak potężne, że przez kilka sekund rozbłysk można było obserwować z Ziemi gołym okiem. Ponieważ doszło do niego w ogormnej odległości, zarejestrowane światło jest znacznie ciemniejsze niż promieniowanie gwiazd. Oprócz rozbłysków w ramach Pi of the Sky obserwowane są także gwiazdy zmienne, które emitują światło o niejednorodnym natężeniu. Prace przy eksperymencie zaowocowały powstaniem kilku prac magisterskich oraz publikacjami w pismach naukowych, m.in. w bardzo prestiżowym Nature.

Nocne obserwacje

Na podstawie informacji o pozycji satelitów, astronomicznego kalendarza oraz kierunku obserwacji teleskopów należących do GTN stworzone przez naukowców algorytmy tworzą grafik obserwacji – wyznaczają obszar nieba, który ma być fotografowany (zazwyczaj pokrywa się on z obszarem obserwacji satelity Swift). Jeśli podczas obserwacji nieba przyjdzie z sieci GTN informacja o zarejestrowaniu rozbłysku, teleskop przerywa zaplanowaną obserwację, zmienia pozycję i zaczyna obserwować obszar, w którym wykryto rozbłysk. Po kilkunastu minutach wraca do pozycji z grafika obserwacji.

Informacja o ciekawych zjawiskach trafia także do naukowców, za pośrednictwem e-maili i SMS-ów generowanych przez system. W ramach Pi of the Sky nie jest rejestrowane promieniowanie gamma błysków, ale towarzyszące im promieniowanie widzialne. Rozbłyski widoczne są na zdjęciach jako pojawiające się nagle źródła światła – ciemniejsze niż np. otaczające je gwiazdy. Aby z obrazu nieba można było wyodrębnić błysk, stworzono wydajne algorytmy analizujące obraz. Procedura wyodrębnia z obrazu światło gwiazd oraz innych zjawisk kosmicznych (np. rozbłysk) i jednocześnie usuwa nieporządane elementy, np. światło satelitów.

Następnie algorytm analizuje piksele zdjęcia, porównując je z poprzedzającą klatką. Jeśli w którymś punkcie fotografii pojawił się jasny punkt, algorytm traktuje go jako podejrzenie wykrycia błysku. Musi przy tym odrzucić wszelkie zjawiska, które mogą być pomylone ze zjawiskiem kosmicznym, jak np. przelatujący meteor lub samolot.

Jeśli zjawisko zostanie zaklasyfikowane jako GRB, informacja trafia do operatora w Polsce, który akurat dyżuruje przy aparaturze (dyżury odbywają się w nocy), a następnie do GTN. Zanim oficjalnie można będzie mówić o odkryciu rozbłysku, jego zajście musi potwierdzić inne obserwatorium.

Wszystkie zjawiska są rejestrowane w bazie danych. Do dziennika obserwacji może zajrzeć każdy, odwiedzając stronę internetową eksperymentu  http://grb.fuw.edu.pl/pi/. Można tam znaleźć także zdjęcia oraz animacje zaobserwowanych zjawisk oraz wyczerpujące informacje na temat całego eksperymentu oraz uczestniczących w nim osobach.