Błyski na niebie

Ponieważ teleskop Pi of the Sky znajduje się w odległym od Polski Chile, cała aparatura musi być wysoce niezawodna oraz radzić sobie z ewentualnymi awariami. Podłączone do kamer komputery z zaprojektowanym przez naukowców oprogramowaniem potrafią bez ingerencji człowieka przywrócić utracone połączenie z kamerami – przez ponowne załadowanie oprogramowania kamery – wprowadzić korektę do ustawienia kamer, nawiązać utracone połączenie z serwerem GTN oraz sterownikiem ustawienia kierunku obserwacji kamer.

Gdy po raz pierwszy zaobserwowano tak zwane rozbłyski gamma (ang. GRB), sądzono, że dochodzi do nich w naszej galaktyce. Jedna z teorii próbująca wyjaśnić zjawisko zakładała, że źródłem zaobserwowanej energii są próby nuklearne przeprowadzane przez Związek Radziecki po ciemnej stronie Księżyca. Obecnie najbliższa prawdy wydaje się teoria, według której źródłem rozbłysku gamma są odległe supernowe, czyli bardzo stare gwiazdy (więcej w ramce „Wielki błysk”).

W eksperymencie Pi of the Sky biorą udział naukowcy z polskich uczelni – Uniwersytetu Warszawskiego, Politechniki Warszawskiej i Uniwersytetu Kardynała Stefana Wyszyńskiego, z Instytutu Problemów Jądrowych im. Andrzeja Sołtana oraz Polskiej Akademii Nauk. W swojej pracy wykorzystują samodzielnie zbudowany cyfrowy teleskop, sterowany zdalnie przez internet i przekazujący tą samą drogą rejestrowane obrazy.

Charakterystyczny dla błysków gamma jest krótki czas ich trwania – maksymalnie do kilkunastu sekund – co znacznie utrudnia ich obserwację. Współczesne teleskopy obejmują zasięgiem tylko mały wycinek nieba i potrzebują czasu, aby zmienić obszar obserwacji. Jednym z pierwszych problemów, przed którym stanęli naukowcy, było zbudowanie narzędzia obserwującego duży fragment nieba i wykonującego jak największą liczbę jego zdjęć – częściej, niż to robią teleskopy. Propozycja budowy potrzebnej aparatury wyszła od nieżyjącego już prof. Bohdana Paczyńskiego, który zainicjował projekt Pi of the Sky.

Wprawdzie w 2004 roku, gdy rozpoczynano projekt, można już było kupić gotowe cyfrowe kamery (teleskopy) przeznaczone do obserwacji astronomicznych, jednak zespół badaczy zdecydował, że sam zaprojektuje i wykona potrzebne urządzenia. Powodów było kilka. Nie tylko wysoka cena gotowej kamery, ale także zawodność zainstalowanej w niej migawki oraz powolna praca elementów elektronicznych.

Na potrzeby eksperymentu opracowano kilka prototypów urządzeń. Obecnie są wykorzystywane dwie kamery wyposażone w matrycę CCD o rozdzielczości 2048x2048 pikseli oraz obiektyw o ogniskowej 85 mm. Zamontowana migawka powinna wytrzymać nawet kilka milionów otwarć. Kamery przystosowano do pracy zdalnej. Operator może kontrolować parametry, takie jak temperatura matrycy, pozycja soczewek w obiektywie, częstotliwość wykonywania zdjęć itp. W czasie obserwacji nieba obiektywy kamer poruszają się, śledząc ruch wybranych gwiazd.

Docelowo w eksperymencie będą wykorzystywane dwie grupy kamer – po 12 kamer w każdej. Powstają już prototypy nowych urządzeń. Każde będzie zawierało aż cztery kamery skierowane w tę samą stronę. Obie grupy kamer będą oddalone od siebie o około 100 km, co pozwoli precyzyjnie wyznaczać odległość, w jakiej dochodzi do zaobserwowanych błysków. Urządzenia będą zamontowane na specjalnych ruchomych podestach. Pozwoli to na precyzyjne ustawienie każdej czwórki kamer lub – w razie konieczności – zmianę ich pozycji.

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.

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.

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.

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.

kompilator
specjalny program, który służy do automatycznego tłumaczenia kodu źródłowego, napisanego w języku programowania na równoważny kod maszynowy – zrozumiały dla komputera; ułatwia programowanie

magistrala danych
pozwala procesorowi na komunikację z układem sterującym (chipsetem) płyty głównej, a za jego pośrednictwem również z innymi komponentami – pamięcią operacyjną, dyskami, siecią itd.

cache L1
pamięć podręczna pierwszego poziomu; skraca czas oczekiwania procesora na dane z pamięci RAM; szybsza od cache L2 i L3, ale ma najmniejszą pojemność; często jest osobna dla instrukcji i dla danych

CCD
ang. Charge Coupled Device, matryca aparatu fotograficznego, układ wielu elementów światłoczułych, z których każdy – dzięki zastosowaniu filtrów barwnych – odczytuje natężenie światła w danym punkcie matrycy

DLP
Digital Light Processing – technologia wyświetlaczy obrazowych opracowanych przez Texas Instruments, wykorzystują one miniaturowe lustra odbijające lub rozpraszające padające na nie światło, oferują wysoki kontrast – 2000:1

HD
High Definition – technologia zapisu obrazu w wysokiej rozdzielczości; obraz tworzy 720 lub 1080 linii poziomych i wyświetlany jest w formacie 16:9 (obecny standard to najczęściej 576 linii w poziomie i format 4:3)

Dr Krzysztof Nawrocki, jeden z liderów eksperymentu Pi of the Sky, w którym zajmuje się m.in. sterowaniem urządzeniami i bazami danych, pracownik Instytutu Problemów Jądrowych im. Andrzeja Sołtana.

PCF: Jakiego typu informacje można pozyskać dzięki prowadzonym w ramach projektu obserwacjom?
KN: Celem projektu jest poszukiwanie na niebie zmiennych w czasie zjawisk optycznych pochodzenia kosmicznego. Chodzi nam przede wszystkim o rejestrację błysków optycznych spowodowanych przez rozbłyski gamma, ale poszukujemy również rozbłysków gwiazd nowych, badamy zachowanie w czasie gwiazd zmiennych, monitorujemy aktywne jądra galaktyk.

PCF: Jak dużo zjawisk obserwujecie?
KN: W ciągu nocy algorytm analizujący zdjęcia znajduje zwykle kilka interesujących obiektów, których fotografie są następnie przesyłane do Warszawy i analizowane przez specjalistów.

PCF: Skąd są pozyskiwane fundusze na prowadzenie badania?
KN: Fundusze pochodzą z grantów przyznawanych przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego. Na początkowym etapie wsparł nas, za pośrednictwem Fundacji Astronomii Polskiej, profesor Bogdan Paczyński, wybitny polski astrofizyk.

PCF: Jaka jest rola firmy IBM w przedsięwzięciu?
KN: Współpraca z IBM polega na udostępnieniu na potrzeby projektu, na zasadach niekomercyjnych, najnowszej wersji bazy danych DB2 Enterprise wraz ze wsparciem technicznym ze strony specjalistów IBM. Baza jest wykorzystywana zarówno do przechowywania i analizowania ogromnych zbiorów danych w naszym eksperymencie, jak i do kształcenia studentów na rzeczywistych danych pochodzących z teleskopu.

PCF: Jakie są dalsze plany?
KN: Docelowa wersja systemu, podobnie jak obecny prototyp, będzie działała w pełni autonomicznie. Obecnie budujemy pełną, używającą 24 kamer, wersję eksperymentu, która zwiększy obszar widzianego przez nas nieba. Kamery będą podzielone na dwie, odległe o około 100 km grupy. Dzięki temu będzie można zastosować lepsze metody eliminowania tła – elementów zdjęć imitujących błyski, np. odbić światła słonecznego od satelitów Ziemi. W ten sposób istotnie zwiększymy możliwości obserwacyjne Pi of the Sky.