Миллион спектров за миллион долларов

Работающий в США российский астроном Дмитрий Бизяев про SDSS-III — крупнейший обзора 3D-структуры Вселенной

Оксана Абрамова 15.08.2012, 10:30
Одна из программ SDSS-III — BOSS, предназначенная для измерения скорости расширения Вселенной Chris Blake and Sam Moorfield
Одна из программ SDSS-III — BOSS, предназначенная для измерения скорости расширения Вселенной

Вышла в свет новая версия самого крупного в истории обзора трехмерной структуры Вселенной — SDSS-III. Участник проекта Дмитрий Бизяев рассказал «Газете.Ru» о будущем этого обзора и о возможности России присоединиться к работе над ним.

До середины 80-х годов ХХ века данные астрономических наблюдений, полученные с помощью наземных и космических телескопов, поступали в открытые архивы с большой задержкой, а информация, которая хранилась на фотоплёнках и фотопластинках, не могла быть обработана автоматически. Ситуация начала меняться в лучшую сторону в 1987 году, когда профессор Принстонского университета Джеймс Эдвард Ганн впервые предложил использовать цифровые технологии для астрономических наблюдений. Его идея заключалась в том, чтобы оснастить телескоп камерой и спектрографом с ПЗС-матрицей максимально высокого разрешения, для того чтобы иметь возможность автоматически сканировать большие участки неба и собирать информацию о миллионах различных космических объектов. Использование цифровых камер, спектроскопов и компьютеров должно было существенно повысить качество астрономических наблюдений, позволить собрать большое количество статистической информации и сделать результаты наблюдений доступными астрономам всего мира.

Идея, высказанная Ганном, была одобрена астрономическим сообществом и в итоге привела к возникновению проекта SDSS (Sloan Digital Sky Survey — Слоановский цифровой обзор неба) — самого большого на сегодняшний день обзора трехмерной структуры Вселенной.

Своё название Слоановский цифровой обзор неба получил по имени Альфреда Слоана (1875 – 1966) – президента корпорации General Motors, который в 1934 г. основал богатый благотворительный фонд, подключившийся в начале 90-х гг. ХХ в. к финансированию проекта.

Наблюдения проводятся на 2,5-метровом широкоугольном оптическом телескопе, расположенном в обсерватории Апачи-Пойнт (Нью-Мехико, США). По современным меркам это сравнительно небольшой телескоп, ведь сейчас в астрономии правят бал 8–10-метровые телескопы, а не за горами и эпоха телескопов с зеркалами размером несколько десятков метров. Однако подбор высокопрофессиональной команды и то, что астрономы и инженеры проекта продумывают каждый шаг, а также заботятся о том, чтобы данные были удобны для дальнейшего использования всеми заинтересованными учёными, позволил обзору SDSS стать весьма успешным проектом.

За последние годы количество публикаций, основанных на данных SDSS, превысило количество публикаций, основанных на наблюдениях космического телескопа «Хаббл» (цифровую камеру для которого разрабатывал Джеймс Эдвард Ганн), а также на данных обсерватории ESO.

Изучение большого количества галактик, квазаров и измерение расстояний до них позволяет построить трёхмерную карту распределения материи во Вселенной, определить соотношение между тёмной и видимой материей, исследовать свойства и распределение пыли, проверить теории формирования и эволюции галактик, а также открывать очень редкие и необычные квазары, звёзды и галактики, интересные с научной точки зрения. К редким объектам, например, относятся звёзды, вещество которых практически не содержит металлов. Это самые старые обитатели нашего «дома» — галактики Млечный Путь. Изучение этих звёзд поможет понять, как формировалась наша Галактика, однако такие звёзды чрезвычайно редки, и только крупномасштабная съёмка неба помогает выявить достаточное их количество, чтобы можно было строить и проверять различные научные теории.

Официально сбор данных в рамках проекта SDSS начался в 2000 г. Первый этап проекта, SDSS-I, пришёлся на 2000–2005 годы, второй, SDSS-II, – на 2005–2008 годы, а в середине 2008-го стартовал SDSS-III, который продлится до 2014 года.

На сегодняшний день наблюдениями покрыто 14 555 квадратных градусов звёздного неба, в каталог обзора вошло около миллиарда (932 891 133) объектов, получено 1 457 002 спектра галактик и 228 468 спектров квазаров, а также 668 054 звёздных спектра.

На первом этапе проекта были обнаружены более 10 000 неизвестных ранее астероидов и определён их состав, а также открыто несколько десятков самых холодных звёзд — коричневых карликов.

Изображения неба SDSS закончил получать в ноябре 2009-го, и с тех пор этот проект является исключительно спектроскопическим, что делает его очень актуальным. На сегодняшний день планируется с помощью более мощных телескопов создать несколько новых, более глубоких обзоров неба, однако спектральный обзор масштаба SDSS остаётся вне конкуренции: сейчас спектрограф SDSS способен получить в ясную ночь порядка 1000 спектров за 1 час наблюдений, и этим он уникален.

На днях был опубликован девятый релиз данных SDSS (DR9), который представил самый последние данные обзора SDSS.

Область покрытия неба DR9 // https://www.sdss3.org/dr9/
Область покрытия неба DR9 // https://www.sdss3.org/dr9/

DR9 включает в себя первые результаты одной из четырёх программ SDSS-III –Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS, Спектроскопическая Служба Барионных Осцилляций). Она предназначена для измерения скорости расширения Вселенной и сосредоточена на изучении красных галактик большой светимости и квазаров, а также на составлении карты их пространственного распределения.

Еще одна программа SDSS-III — это APOGEE (Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment — Эксперимент по Эволюции Галактик Обсерватории Апач-Пойнт), который создан для изучения при помощи ИК-спектроскопии 100 000 звёзд — красных гигантов, расположенных в галактическом балдже, баре, диске и гало. Полученная информация будет использована для изучения пыли, находящейся во внутренних областях Галактики. Программа MARVELS (Multi-object APO Radial Velocity Exoplanet Large-area Survey) создана для поиска планет-гигантов, для чего будут изучены 11 000 наиболее ярких звёзд. Четвёртая часть проекта – SEGUE-2 (Sloan Extension for Galactic Understanding and Exploration 2) — разработана для картографирования внешних областей Млечного Пути и получения спектров 240 000 звёзд.

В девятый релиз вошли более 800 000 спектров (полученные с помощью нового 1000-волоконного BOSS-спектрографа) с более чем 3300 квадратных градусов небесной сферы, а также все изображения и спектры предыдущих релизов SDSS и скорректированные астрометрические данные из восьмого релиза данных.

Кроме того, была опубликована новая трехмерная карта массивных галактик и чёрных дыр, которая содержит ключи к пониманию тёмной материи и тёмной энергии, двух величайших тайн нашего времени, которые составляют 96% вещества во Вселенной.

Как известно, видимое вещество во Вселенной группируется в некоторую «ячеистую» структуру, которая похожа на скопление мыльных пузырей. SDSS-III изучает эту структуру, чтобы определить природу тёмной энергии и распределение тёмной материи во Вселенной. Если в начале прошлого года SDSS-III выпустила крупнейшее в мире изображение неба, то в новой версии данных SDSS-III расширяет это изображение до полной трехмерной карты Галактики (которую планируется создать за 6 лет работы SDSS-III), и сейчас уже доступна одна треть этой карты.

Поскольку скорость света конечна, то, заглядывая всё дальше вглубь Вселенной, мы видим всё более молодые объекты. DR9 включает в себя спектры 540 000 галактик, которые излучали их, когда Вселенная была в два раза моложе, чем сейчас.

Новые данные DR9 содержат информацию не только о далёких космических объектах, но и о нашей Галактике. Они включают в себя лучшие на сегодняшний день оценки химического состава более полумиллиона звёзд Млечного Пути, которые помогут нам понять историю её образования и эволюции. Описание нового релиза проекта находится в статье, с которой можно ознакомиться на сайте препринтов ArXiv.org.

Участники проекта отмечают, что несомненным его достоинством является доступность результатов наблюдений в интернете для всех желающих — научных сотрудников, студентов, преподавателей и любителей астрономии. Это поможет всем вместе трудиться над поиском вопросов об образовании, строении и эволюции нашей Вселенной. Кроме того, сайт SkyServer, на котором размещена информация о проекте SDSS, содержит планы уроков для учителей, которые преподают астрономию, физику, математику и т. д.

Данные DR9 будут также представлены в новой версии научного интернет-проекта «Галактический зоопарк» (Galaxy Zoo), привлекающего широкий круг добровольцев и астрономов-любителей, что позволяет волонтёрам вносить свой вклад в передовые исследования в области астрономии.

Выход нового релиза SDSS для «Газеты.Ru» прокомментировал Дмитрий Бизяев, один из наблюдателей, принимавших участие в работе над проектом SDSS, а также участник команды APOGEE.

— Каковы дальнейшие планы проекта?

— Десятый релиз ожидается через год. Следующий выпуск SDSS принесет астрономам качественно новые данные. Спектры далёких галактик и квазаров, полученные со спектрографа BOSS, будут дополнены данными следующего года наблюдений. Уникальный эксперимент по галактической археологии APOGEE предоставит свои первые инфракрасные спектры для общего использования. Также планирует выпустить свои данные эксперимент по поиску планет MARVELS.

— Планируются ли дальнейшие этапы SDSS и чего от них можно ожидать?

— Обзор SDSS планируется продолжать и после окончания SDSS-III, т. е. после 2014 года. Однако это, конечно, и вопрос финансирования. В случае если SDSS-IV состоится, он порадует научную общественность принципиально новыми данными. Картографирование малоисследованных удалённых областей Вселенной будет продолжено на новом уровне. Эксперимент по галактической археологии начнёт получать данные с южной части неба (Южного полушария). Третья часть SDSS-IV (это эксперимент по спектральному картографированию галактик в ближней Вселенной, MaNGA) будет использовать модифицированный SDSS спектрограф для изучения панорамных спектров около 10 000 относительно близких галактик.

Вкратце можно сказать, что стоит ожидать многих открытий, а также уникальных данных, которые будут доступны для всего астрономического сообщества.

— Можете ли вы сравнить работу американских и российских астрономов?

— И в той, и в другой системе есть свои плюсы и минусы. Однако общая тенденция такова, что наука в США получает большую финансовую поддержку, профессия учёного там довольно престижна, а статус высок. Американская система позволяет учёным сконцентрироваться на научных исследованиях и карьере. Для России же это больной вопрос...

— Возможно ли участие российских учёных в обзоре SDSS, и если да, то на каких условиях? И что это нам даст?

— Сейчас как раз самое время обсудить, нужно ли России участие в больших современных научных проектах. Дело в том, что SDSS открывает двери и приглашает заинтересованные институты для участия в SDSS-IV. Участие небесплатное, но «вступительный взнос» весьма скромен по меркам крупных современных проектов — меньше 1 млн долларов за пять-шесть лет работы обзора.

Но дальше встаёт вопрос, что Россия получит от участия в SDSS.

Дело в том, что вступление в «клуб» участников обзора само по себе не даёт ничего, кроме возможности ставить (а точнее, предлагать) свои задачи в рамках существующих или разрабатываемых приборов (телескопа и спектрографов), а также возможности немедленного доступа к данным наблюдений и их обработки. Как это ни парадоксально звучит, вступление в SDSS потребует дополнительной работы и участия в производстве данных и их анализе.

Я считаю (но это моё личное мнение, конечно), что России будет очень полезно участвовать в SDSS.

Даже при том, что сейчас активно обсуждается вступление России в ESO. Нужно организовать рабочую группу на базе нескольких заинтересованных институтов: ГАИШ МГУ, ИНАСАН, возможно, САО РАН. Такая практика вполне обычна для SDSS: помимо множества американских университетов и Кембриджа в нём участвуют Французская группа участников, Немецкая группа участников, Бразильская группа участников, Испанская группа участников и многие другие.

Но в случае России просто оплатить вступительный взнос недостаточно.

Необходимо, чтобы правительство или частный фонд поддержали, а точнее, стимулировали участие российских астрономов в обзоре. Т. е. должны быть выделены дополнительные средства (в идеале — на уровне вступительного взноса) на мини-гранты, связанные с SDSS, для, скажем, 10 учёных (на уровне научного сотрудника) и 10–15 студентов. Т. е. главное, что может получить Россия от участия в SDSS, — это не доступ к данным, а опыт работы в больших международных проектах и возможность показать себя.