Srpski naučnici u jednoj od najnaprednijih opservatorija na svetu otkrivaju misteriju tamne materije i energije

Nedavna vest da je opservatorija „Vera Rubin“ u Čileu počela sa radom izazvala je priličnu pažnju. Zbog čega je ona jedinstvena u svetu astronomije?

– Opservatorija „Vera Rubin“ opremljena je teleskopom prečnika ogledala 8,4 metra, koji spada među velike svetske optičke teleskope. Međutim, ono što stavlja opservatoriju „Rubin“ u fokus moderne tehnologije je najveća digitalna kamera ikada napravljena, veličine omanjeg automobila.

Ova kamera je specijalno osmišljena za potrebe masivnog pregleda neba, glavnog naučnog projekta opservatorije nazvanog Legacy Survey of Space and Time (LSST). Počevši od 2025. godine, opservatorija „Rubin“ će svake noći tokom naredne decenije snimati celo nebo u cilju paralelnog istraživanja čak četiri naučna zadataka, a to su: razumevanje prirode tamne materije i tamne energije, izrada najobimnijeg inventara Sunčevog sistema, do sada najveće mapiranje zvezda u Mlečnom putu, kao i istraživanje promenljivog optičkog neba, odnosno proučavanje objekata koji se kreću ili menjaju sjaj, poput supernova ili asteroida.

Najveća kamera od čak 3.200 megapiksela obezbeđuje da svaka dobijena slika pokriva oblast površine od 40 punih Meseca, a veliki teleskop od 8,4 metra je kompaktno osmišljen da može izuzetno brzo da menja pravac posmatranja za manje od pet sekundi. Na ovaj način, teleskop će snimiti celo nebo vidljivo iz Čilea svake tri do četiri noći, što nam omogućava da detektujemo nove objekte na nebu, npr. asteroide slabog sjaja koji su potencijalna pretnja Zemlji.

 Veličina ogledala i osetljivost kamere opservatorije „Rubin“ pomoći će nam da otkrijemo oko 17 milijardi zvezda i 20 milijardi galaksija koje nikada ranije nismo videli. Možemo reći da ćemo skoro „uživo“ posmatrati šta se dešava na jednom delu noćnog neba.

Glavna misija opservatorije je razumevanje prirode tamne materije i energije. Krajem prošlog milenijuma, posmatranja supernovi ukazala su da se širenje univerzuma ubrzava, a 2011. godine je za to otkriće dodeljena Nobelova nagrada za fiziku. Za ubrzano širenje kosmosa „odgovorna“ je upravo tamna energija, koja ga i prožima. Da li mislite da će vaš rad doprineti potvrđivanju hipoteze o tamnoj energiji?

– Prvi naučni cilj opservatorije „Rubin“ i projekta LSST je razumevanje ne samo prirode tamne energije već i tamne materije, koji uz vidljivu materiju, kao što su galaksije, zvezde, magline, planete, čine gradivne element vasione. Ovim istraživanjima se bavi kosmologija, koja ispituje nastanak i evoluciju vasione kao celine.

Za ispitivanje kosmoloških hipoteza, izuzetno je važno osmisliti pravilne strategije operacija projekta LSST, u smislu koliko često i koliku dugo će se posmatrati određeni delovi neba. Baš u tom segmentu razvoja operacija opservatorije „Rubin“ učestvuje naš tim. Mi smo deo tima koji je razvijao metrike koje procenjuju efikasnost i strategiju posmatranja teleskopa opservatorije, i u tom smislu smo odigrali važnu ulogu u pripremi LSST.

Dodatno, projekat će snimati izuzetno precizno signale sa udaljenih kvazara, objekata čija svetlost je prošla pored veoma masivnih objekata (takozvanih gravitacionih sočiva) zbog čega će se dobiti njihova deformisana i možda čak duplirana slika kvazara.

Frekvencija ovih događa je jedan od mnogih indikatora za brzinu širenja svemira. Za potrebe ove analize neophodno je detaljno obraditi i ispitati krive sjaja kvazara, u čemu je naš tim vodeći u svetu u primenama mašinskog učenja za ova istraživanja.

Pošto je opservatorija „Vera Rubin“ posebno pogodna za otkrivanje asteroida, hoće li ona učestvovati i u otkrivanju potencijalno opasnih asteroida?

– Upravo tako, jedan od četiri ključna zadataka opservatorije „Rubin“ je pravljenje najvećeg kataloga objekata Sunčevog sistema. Budući da se radi o velikom teleskopu koji ima veliku osteljivost, opservatorija će se istaći u otkrivanju objekata slabog sjaja i naći će 10 do 100 puta više objekata Sunčevog sistema nego što je ranije bilo poznato.

Dakle, opservatorija „Rubin“ će biti presudna u otkrivanju potencijalno opasnih asteroida koji su u blizini Zemlje, tzv. Near Earth Objects (NEO). Naučnici su pronašli većinu NEO objekata većih od jedan kilometar, ali su pronašli manje od 30 odsto većih od 140 m – što bi i dalje izazvalo velika razaranja na Zemlji, ukoliko bi došlo do sudara.

Otkrića opservatorije „Rubin“ će povećati taj procenat na 60 do 90 odsto što je ogromno poboljšanje, jer će nam omogućiti najranije moguće detekcije i upozorenje za eventualne potencijalne sudare.

Sa druge strane, istraživanja asteroida i drugih malih tela Sunčevog sistema, kao što su njihove precizne orbite ili hemijski sastav, pomoći će nam da potvrdimo teorije o nastanku Sunčevog sistema, kao i to kako je tekla evolucija do sadašnjeg izgleda. Mnoga otkrića opservatorije će biti mali, slabi asteroidi, koji će naučnicima pomoći da shvate kako su se objekti (veliki i mali) razbijali jedni u druge i raspadali kroz istoriju Sunčevog sistema.

Još neki od proklamovanih ciljeva su mapiranje Mlečnog puta i pravljenje „popisa“ svega u Solarnom sistemu. Da li bi opservatorija mogla da pomogne u traženju devete, odnosno planete Iks u našem sistemu?

– Kako same planete ne emituju, već samo reflektuju sunčevu svetlost, teško ih je uočiti pogotovo kada su tako daleko i male, kao što se smatra da je to slučaj sa potencijalnom devetom planetom Sunčevog sistema, takozvanom planetom Iks, čije postojanje predviđeno na osnovu poremećaja orbita objekata u spoljašnjim delovima Sunčevog sistema.

Predviđanja su da bi ova deveta trebalo da bude 10 puta masivnija od Zemlje i da se nalazi mnogo dalje od bilo koje poznate planete. Samim tim, izuzetno je malog sjaja da bi je detektovali trenutni teleskopi, kao što je to PanStarrs ili ZTF, koji konstantno pregledaju severni deo nebeske sfere. Najbolje šanse da ovu planetu „ugleda“ će imati opservatorija „Rubin“ kroz LSST masivni desetogodišnji pregled neba.

Kako je došlo do toga da srpski naučnici sa Matematičkog fakulteta i Astronomske opservatorije Beograd učestvuju u projektu LSST?

– Još 2007. godine, sadašnji direktor opservatorije „Vera Rubin“ prof. dr Željko Ivezić je održao predavanje po pozivu na konferenciji u Srbiji, gde smo saznali da postoji ideja za novi projekat pregleda neba, koji bi bio sa većim (osmometarskim) teleskopom i vrlo specifičnom kamerom, za posmatranja objekata slabog sjaja i proučavanja promenljivog neba.

Zainteresovali smo se za projekat, pre svega u delu posmatranja asterioda, a zatim i aktivnih galaksija, za koje je naš tim specijalizovan. To interesovanje je dovelo do našeg aktivnog učešća u prvoj fazi, koja se odnosila na predlog teleskopa, kamere, cilja istraživanja, tako da kada su naučnici iz Sjedinjenih Američkih Država predlagali ovaj projekat Američkoj nacionalnoj naučnoj fondaciji (US National Science Foundation) na pitanje da li ima drugih država zainteresovanih za ovaj projekat, odgovor je bio da su zainteresovani Francuska i Srbija, čiji naučnici su u ranoj fazi projekata jedini pokazali interesovanje za ovaj projekat.

U početku, projekat se zvao "Large Synoptic Space Telescope", da bi posle dobio naziv "Legacy Survey of Space and Time", a opservatorija ime po naučnici „Vera Rubin“, koja je prva dokazala postojanje tamne materije u galaksijama.

U samom početku, oformili smo tim koji je učestvovao u pravljenju softvera i plana za slanja obaveštenja o novim pojavama na nebu. U početku bila je ideja da se naplaćuje ekskluzivni pristup podacima koje će projekat generisati. Naplata je išla preko glavnih istraživača (principal investigator), za čije učešće je trebalo platiti 300.000 dolara po glavnom istraživaču.

Naši astronomi su predložili dva glavna istraživača i to dr Darka Jevremovića i dr Luku Č. Popovića iz Astronomske opservatorije, koji su potpisali prvobitni ugovor sa projektom LSST. Za ovo učešće su sredstva bila odobrena preko projekata koje je finansiralo Ministarstvo, ali do realizacije, tj. plaćanja ovog učešća nije nikada došlo, jer je LSST konzorcijum promenio strategiju učešća međunarodnih partnera na projektu.

Naime, zaključeno je da je mnogo značajnije za projekat da učesnici doprinesu svojom stručnošću i iskustvom u pripremnoj fazi projekta i posle tokom njegovog izvođenja u vrednosti od 300.000 dolara po jednom glavnom istraživaču. Uz to, svaki glavni istraživač može da ima pet pridruženih istraživača koji će svi imati ekskluzivno pravo učešća u projektu LSST i pristup vrhunskim podacima u ranoj fazi projekta, što nam daje mogućnost za nova otkrića i naučna istraživanja.

Proces prelaska na stručni doprinos, popularno nazvan „inkajnd“ od engleskog international in-kind contribution, započet je tokom 2020-2021. godine, tokom kojeg je naš tim predstavio i dokazao svoju ekspertizu i mogućnosti u vrednosti od skoro dva miliona dolara, tačnije dao softversko rešenje za analizu i modelovanje krivih sjaja nebeskih tela i obezbedio vreme za buduća propratna posmatranja na teleskopu „Milanković“, uz angažovanje malog tima ljudi i bez namenskog finansiranja.

Trenutno smo u fazi realizacije dogovora sa Ministarstvom za nauku, tehnološki razvoj i inovacije Republike Srbije za kontinuiranu finansijsku podršku tokom celog trajanja projekta LSST.

Profesor astronomije na Univerzitetu u Vašingtonu dr Željko Ivezić je i direktor projekta LSST, u kojem učestvuje 2.000 naučnika iz čitavog sveta. Na koji način će naši stručnjaci u SER-SAG timu pomoći u projektu?

– Srpski astronomi su izašli sa više predloga učešća u projektu, a naš tim koji se bavi istraživanjima aktivnih galaksija, poznat kao SER-SAG (Serbian Active Galaxies), ponudio je zajedničko učešće timova sa Matematičkog fakulteta Univerziteta u Beogradu i Astronomske opservatorije na Projektu LSST u dva segmenta:

*Razvoj softvera za istraživanje promenjivih objekata (SER-SAG-S1: Directable software in-kind contribution, u vrednosti od 1,2 miliona dolara), čiji je rukovodilac prof. dr Anđelka Kovačević;

*Prateća posmatranja sa teleskopom „Milanković“ prečnika 1,4 metara na Vidojevici (SER-SAG-S2: Telescope time in-kind contribution, u vrednosti 600.000 dolara), kojima rukovodi dr Maša Lakićević.

Ova dva predloga predstavljaju projekat našeg učešća čiji je rukovodilac prof. dr Luka Č. Popović, a menadžer projekta prof. dr Dragana Ilić. Ukupno, ovaj doprinos nosi vrednost od 1,8 miliona dolara za projekat SER-SAG tima. Ovaj projekat omogućava da preko 30 astronoma ima ekskluzivno učešće i pristup podacima koje će da produkuje LSST.

Tim SER-SAG-S1 sa Matematičkog fakulteta razvija softvere za rudarenje informacija iz velikih podataka LSST. Softver se sastoji od neuronskih procesa i ekstraktora periodičnih oscilacija, zasnovan na metodi koju je upravo razvila prof. dr Anđelka Kovačević 2018. godine, uz različite statističke robovetere za određivanje robustnosti detektovanih signala.

Osnovni proizvodi ovog softvera su numerički i vizuelni katalozi detektovanih periodičnih informacija u svetlosnim krivama aktivnih galaksija i kvazara, za čiji razvoj i primenu su korišćeni i resursi Nacionalne platforme za veštačku inteligenciju u Kragujevcu. Ovi katalozi bi trebalo da posluže budućim svemirskim misijama za otkrivanje gravitacionih talasa, kao i trenutnim zemaljskim misijama za detekciju gravitacionih signala na osnovu pulsara, koje su prošle, 2023. godine dali prve uzbudljive rezultate i detektovali pozadinski gravitacioni signal iz celog svemira.

SER-SAG tim se posebno zalaže za poboljšanje mogućnosti i operacija teleskopa „Milanković“ na Vidojevici u južnoj Srbiji, kako bi što efikasnije pratio i podržao buduća otkrića LSST pregleda neba. U tome najviše doprinosi SER-SAG-S2 tim koji radi na poboljšanju dostupnog instrumentarijuma na teleskopu „Milanković“, razvoju procedura za brzu obradu podataka i realizaciji budućih posmatranja.

Očekuje se da će LSST svakodnevno otkrivati milione promena i novih pojava na nebu. Mnogi drugi teleskopi će biti neophodni da se odredi tačna priroda tih fenomena i dokaže njihovo otkriće, i u tome će nam pomoći i teleskop „Milanković“.

Teleskop i džinovska kamera opservatorije „Rubin“ davaće ogromne količine podataka. Kako se oni obrađuju?

– Projekat LSST će svake noći generisati oko 20 terabajta podataka, što predstavlja tehnološki izazov kako obraditi i u realnom vremenu proslediti astronomskoj zajednici informaciju šta se promenilo na nebu te noći, a očekuje se preko 10 miliona tih tzv. Uzbuna (alert). Trenutno, LSST obećava da će se svaka uzbuna objaviti samo nakon 60 sekundi. Isto tako je izuzetan izazov omogućiti astronomima da koriste ogromnu količinu podataka (oko 60 petabajta na kraju projekta), što je nešto što se stvarno može nazvati “big data” odnosno veliki podaci.

Konzorcijum LSST priprema automatizovane i specijalizovane alate za obradu podataka, zasnivane na ekspertizi velikog broja naučnika, ali i na raznim inovativnim alatima iz mašinskoh učenja i veštačke inteligencije.

Naš tim je pripremio mnoge alate za analizu krivih sjaja (vremenskih serija koje vam pokazuju kako se menja sjaj nekog astronomskog objekta), recimo QNPy je specijalizovan softver za rekonstrukciju vremenskih serija baziran na neuronskim procesima. Ovaj softver je deo SER-SAG-S1 Directable software in-kind contribution i na raspolaganju je LSST korisnicima za analizu krivih sjaja različitih nebeskih tela, od asteroida, zvezda do aktivnih galaktičkih jezgara i kvazara.

Koliki je značaj učešća srpskih naučnika u ovakvom projektu?

– Učešće na projektu LSST pruža našem timu izuzetnu priliku za profesionalni razvoj kroz upotrebu najnaprednijih tehnologija kao i držanje koraka sa svetskom zajednicom u razumevanju univerzuma. Na profesionalnom nivou, to je priznanje doprinosa naše zemlje globalnoj naučnoj zajednici i prilika da unapredimo astronomiju.

Očekujemo da projekat, uz doprinos srpskih stručnjaka i njihovih analitičkih kodova i teleskopskih resursa zajedno sa drugim nacijama, kako je naglasio direktor Operacija LSST Bob Blum, uspešno ostvari svoje ciljeve. Velika je čast za Univerzitet u Beogradu – Matematički fakultet i Astronomsku opservatoriju Beograd biti deo ovog međunarodnog poduhvata i predstavljati Srbiju u svetskom projektu koji će obeležiti istraživanja u optičkoj astronomiji u prvoj polovini 21. veka.

Potpuno je jedinstvena prilika učestvovati u svetski vodećem naučnom projektu koji će pomeriti granice saznanja moderne nauke, tehnologije i primene veštačke inteligencije. Opservatorija „Rubin“ i projekat LSST otvaraju svoja vrata naučnicima iz celog sveta da se na osnovu znanja i ekspertize uključe u projekat, što ga čini jedinstvenim u odnosu na ostale velike naučne projekte, koji za učešće institucija i naučnika uglavnom zahtevaju novčana ulaganja. Ubeđeni smo da će LSST ostvariti planirane naučne ciljeve, a verujemo i da će i prevazići naša očekivanja i otkriti zapravo nešto potpuno nepoznato i neočekivano.

Sagovornici:

– prof. dr Dragana Ilić, Univerzitet u Beogradu, Matematički fakultet
– prof. dr Luka Popović, Astronomska opservatorija Beograd i Univerzitet u Beogradu, Matematički fakultet
– prof. dr Anđelka Kovačević, Univerzitet u Beogradu, Matematički fakultet
– dr Maša Lakićević, Astronomska opservatorija Beograd