Српски научници у једној од најнапреднијих опсерваторија на свету откривају мистерију тамне материје и енергије

Недавна вест да је опсерваторија „Вера Рубин“ у Чилеу почела са радом изазвала је приличну пажњу. Због чега је она јединствена у свету астрономије?

– Опсерваторија „Вера Рубин“ опремљена је телескопом пречника огледала 8,4 метра, који спада међу велике светске оптичке телескопе. Mеђутим, оно што ставља опсерваторију „Рубин“ у фокус модерне технологије је највећа дигитална камера икада направљена, величине омањег аутомобила.

Ова камера је специјално осмишљена за потребе масивног прегледа неба, главног научног пројекта опсерваторије названог Legacy Survey of Space and Time (LSST). Почевши од 2025. године, опсерваторија „Рубин“ ће сваке ноћи током наредне деценије снимати цело небо у циљу паралелног истраживања чак четири научна задатака, а то су: разумевање природе тамне материје и тамне енергије, израда најобимнијег инвентара Сунчевог система, до сада највеће мапирање звезда у Млечном путу, као и истраживање променљивог оптичког неба, односно проучавање објеката који се крећу или мењају сјај, попут супернова или астероида.

Највећа камера од чак 3.200 мегапиксела обезбеђује да свака добијена слика покрива област површине од 40 пуних Месеца, а велики телескоп од 8,4 метра је компактно осмишљен да може изузетно брзо да мења правац посматрања за мање од пет секунди. На овај начин, телескоп ће снимити цело небо видљиво из Чилеа сваке три до четири ноћи, што нам омогућава да детектујемо нове објекте на небу, нпр. астероиде слабог сјаја који су потенцијална претња Земљи.

 Величина огледала и осетљивост камере опсерваторије „Рубин“ помоћи ће нам да откријемо око 17 милијарди звезда и 20 милијарди галаксија које никада раније нисмо видели. Можемо рећи да ћемо скоро „уживо“ посматрати шта се дешава на једном делу ноћног неба.

Главна мисија опсерваторије је разумевање природе тамне материје и енергије. Крајем прошлог миленијума, посматрања супернови указала су да се ширење универзума убрзава, а 2011. године је за то откриће додељена Нобелова награда за физику. За убрзано ширење космоса „одговорна“ је управо тамна енергија, која га и прожима. Да ли мислите да ће ваш рад допринети потврђивању хипотезе о тамној енергији?

– Први научни циљ опсерваторије „Рубин“ и пројекта LSST је разумевање не само природе тамне енергије већ и тамне материје, који уз видљиву материју, као што су галаксије, звезде, маглине, планете, чине градивне елемент васионе. Овим истраживањима се бави космологија, која испитује настанак и еволуцију васионе као целине.

За испитивање космолошких хипотеза, изузетно је важно осмислити правилне стратегије операција пројекта LSST, у смислу колико често и колику дуго ће се посматрати одређени делови неба. Баш у том сегменту развоја операција опсерваторије „Рубин“ учествује наш тим. Ми смо део тима који је развијао метрике које процењују ефикасност и стратегију посматрања телескопа опсерваторије, и у том смислу смо одиграли важну улогу у припреми LSST.

Додатно, пројекат ће снимати изузетно прецизно сигнале са удаљених квазара, објеката чија светлост је прошла поред веома масивних објеката (такозваних гравитационих сочива) због чега ће се добити њихова деформисана и можда чак дуплирана слика квазара.

Фреквенција ових догађа је један од многих индикатора за брзину ширења свемира. За потребе ове анализе неопходно је детаљно обрадити и испитати криве сјаја квазара, у чему је наш тим водећи у свету у применама машинског учења за ова истраживања.

Пошто је опсерваторија „Вера Рубин“ посебно погодна за откривање астероида, хоће ли она учествовати и у откривању потенцијално опасних астероида?

– Управо тако, један од четири кључна задатака опсерваторије „Рубин“ је прављење највећег каталога објеката Сунчевог система. Будући да се ради о великом телескопу који има велику остељивост, опсерваторија ће се истаћи у откривању објеката слабог сјаја и наћи ће 10 до 100 пута више објеката Сунчевог система него што је раније било познато.

Дакле, опсерваторија „Рубин“ ће бити пресудна у откривању потенцијално опасних астероида који су у близини Земље, тзв. Near Earth Objects (NEO). Научници су пронашли већину NEO објеката већих од један километар, али су пронашли мање од 30 одсто већих од 140 м – што би и даље изазвало велика разарања на Земљи, уколико би дошло до судара.

Открића опсерваторије „Рубин“ ће повећати тај проценат на 60 до 90 одсто што је огромно побољшање, јер ће нам омогућити најраније могуће детекције и упозорење за евентуалне потенцијалне сударе.

Са друге стране, истраживања астероида и других малих тела Сунчевог система, као што су њихове прецизне орбите или хемијски састав, помоћи ће нам да потврдимо теорије о настанку Сунчевог система, као и то како је текла еволуција до садашњег изгледа. Многа открића опсерваторије ће бити мали, слаби астероиди, који ће научницима помоћи да схвате како су се објекти (велики и мали) разбијали једни у друге и распадали кроз историју Сунчевог система.

Још неки од прокламованих циљева су мапирање Млечног пута и прављење „пописа“ свега у Соларном систему. Да ли би опсерваторија могла да помогне у тражењу девете, односно планете Икс у нашем систему?

– Како саме планете не емитују, већ само рефлектују сунчеву светлост, тешко их је уочити поготово када су тако далеко и мале, као што се сматра да је то случај са потенцијалном деветом планетом Сунчевог система, такозваном планетом Икс, чије постојање предвиђено на основу поремећаја орбита објеката у спољашњим деловима Сунчевог система.

Предвиђања су да би ова девета требало да буде 10 пута масивнија од Земље и да се налази много даље од било које познате планете. Самим тим, изузетно је малог сјаја да би је детектовали тренутни телескопи, као што је то PanStarrs или ZTF, који константно прегледају северни део небеске сфере. Најбоље шансе да ову планету „угледа“ ће имати опсерваторија „Рубин“ кроз LSST масивни десетогодишњи преглед неба.

Како је дошло до тога да српски научници са Математичког факултета и Астрономске опсерваторије Београд учествују у пројекту LSST?

– Још 2007. године, садашњи директор опсерваторије „Вера Рубин“ проф. др Жељко Ивезић је одржао предавање по позиву на конференцији у Србији, где смо сазнали да постоји идеја за нови пројекат прегледа неба, који би био са већим (осмометарским) телескопом и врло специфичном камером, за посматрања објеката слабог сјаја и проучавања променљивог неба.

Заинтересовали смо се за пројекат, пре свега у делу посматрања астериода, а затим и активних галаксија, за које је наш тим специјализован. То интересовање је довело до нашег активног учешћа у првој фази, која се односила на предлог телескопа, камере, циља истраживања, тако да када су научници из Сједињених Америчких Држава предлагали овај пројекат Америчкој националној научној фондацији (US National Science Foundation) на питање да ли има других држава заинтересованих за овај пројекат, одговор је био да су заинтересовани Француска и Србија, чији научници су у раној фази пројеката једини показали интересовање за овај пројекат.

У почетку, пројекат се звао "Large Synoptic Space Telescope", да би после добио назив "Legacy Survey of Space and Time", а опсерваторија име по научници „Вера Рубин“, која је прва доказала постојање тамне материје у галаксијама.

У самом почетку, оформили смо тим који је учествовао у прављењу софтвера и плана за слања обавештења о новим појавама на небу. У почетку била је идеја да се наплаћује ексклузивни приступ подацима које ће пројекат генерисати. Наплата је ишла преко главних истраживача (principal investigator), за чије учешће је требало платити 300.000 долара по главном истраживачу.

Наши астрономи су предложили два главна истраживача и то др Дарка Јевремовића и др Луку Ч. Поповића из Астрономске опсерваторије, који су потписали првобитни уговор са пројектом LSST. За ово учешће су средства била одобрена преко пројеката које је финансирало Министарство, али до реализације, тј. плаћања овог учешћа није никада дошло, јер је LSST конзорцијум променио стратегију учешћа међународних партнера на пројекту.

Наиме, закључено је да је много значајније за пројекат да учесници допринесу својом стручношћу и искуством у припремној фази пројекта и после током његовог извођења у вредности од 300.000 долара по једном главном истраживачу. Уз то, сваки главни истраживач може да има пет придружених истраживача који ће сви имати ексклузивно право учешћа у пројекту LSST и приступ врхунским подацима у раној фази пројекта, што нам даје могућност за нова открића и научна истраживања.

Процес преласка на стручни допринос, популарно назван „инкајнд“ од енглеског international in-kind contribution, започет је током 2020-2021. године, током којег је наш тим представио и доказао своју експертизу и могућности у вредности од скоро два милиона долара, тачније дао софтверско решење за анализу и моделовање кривих сјаја небеских тела и обезбедио време за будућа пропратна посматрања на телескопу „Миланковић“, уз ангажовање малог тима људи и без наменског финансирања.

Тренутно смо у фази реализације договора са Министарством за науку, технолошки развој и иновације Републике Србије за континуирану финансијску подршку током целог трајања пројекта LSST.

Професор астрономије на Универзитету у Вашингтону др Жељко Ивезић је и директор пројекта ЛССТ, у којем учествује 2.000 научника из читавог света. На који начин ће наши стручњаци у SER-SAG тиму помоћи у пројекту?

– Српски астрономи су изашли са више предлога учешћа у пројекту, а наш тим који се бави истраживањима активних галаксија, познат као SER-SAG (Serbian Active Galaxies), понудио је заједничко учешће тимова са Математичког факултета Универзитета у Београду и Астрономске опсерваторије на Пројекту ЛССТ у два сегмента:

*Развој софтвера за истраживање промењивих објеката (SER-SAG-S1: Directable software in-kind contribution, у вредности од 1,2 милиона долара), чији је руководилац проф. др Анђелка Ковачевић;

*Пратећа посматрања са телескопом „Миланковић“ пречника 1,4 метара на Видојевици (SER-SAG-S2: Telescope time in-kind contribution, у вредности 600.000 долара), којима руководи др Маша Лакићевић.

Ова два предлога представљају пројекат нашег учешћа чији је руководилац проф. др Лука Ч. Поповић, а менаџер пројекта проф. др Драгана Илић. Укупно, овај допринос носи вредност од 1,8 милиона долара за пројекат SER-SAG тима. Овај пројекат омогућава да преко 30 астронома има ексклузивно учешће и приступ подацима које ће да продукује LSST.

Тим SER-SAG-S1 са Математичког факултета развија софтвере за рударење информација из великих података LSST. Софтвер се састоји од неуронских процеса и екстрактора периодичних осцилација, заснован на методи коју је управо развила проф. др Анђелка Ковачевић 2018. године, уз различите статистичке робоветере за одређивање робустности детектованих сигнала.

Основни производи овог софтвера су нумерички и визуелни каталози детектованих периодичних информација у светлосним кривама активних галаксија и квазара, за чији развој и примену су коришћени и ресурси Националне платформе за вештачку интелигенцију у Крагујевцу. Ови каталози би требало да послуже будућим свемирским мисијама за откривање гравитационих таласа, као и тренутним земаљским мисијама за детекцију гравитационих сигнала на основу пулсара, које су прошле, 2023. године дали прве узбудљиве резултате и детектовали позадински гравитациони сигнал из целог свемира.

SER-SAG тим се посебно залаже за побољшање могућности и операција телескопа „Миланковић“ на Видојевици у јужној Србији, како би што ефикасније пратио и подржао будућа открића LSST прегледа неба. У томе највише доприноси SER-SAG-S2 тим који ради на побољшању доступног инструментаријума на телескопу „Миланковић“, развоју процедура за брзу обраду података и реализацији будућих посматрања.

Очекује се да ће LSST свакодневно откривати милионе промена и нових појава на небу. Многи други телескопи ће бити неопходни да се одреди тачна природа тих феномена и докаже њихово откриће, и у томе ће нам помоћи и телескоп „Миланковић“.

Телескоп и џиновска камера опсерваторије „Рубин“ даваће огромне количине података. Како се они обрађују?

– Пројекат LSST ће сваке ноћи генерисати око 20 терабајта података, што представља технолошки изазов како обрадити и у реалном времену проследити астрономској заједници информацију шта се променило на небу те ноћи, а очекује се преко 10 милиона тих тзв. Узбуна (alert). Тренутно, LSST обећава да ће се свака узбуна објавити само након 60 секунди. Исто тако је изузетан изазов омогућити астрономима да користе огромну количину података (око 60 петабајта на крају пројекта), што је нешто што се стварно може назвати “big data” односно велики подаци.

Конзорцијум LSST припрема аутоматизоване и специјализоване алате за обраду података, засниване на експертизи великог броја научника, али и на разним иновативним алатима из машинскох учења и вештачке интелигенције.

Наш тим је припремио многе алате за анализу кривих сјаја (временских серија које вам показују како се мења сјај неког астрономског објекта), рецимо QNPy је специјализован софтвер за реконструкцију временских серија базиран на неуронским процесима. Овај софтвер је део SЕR-SAG-S1 Directable software in-kind contribution и на располагању је LSST корисницима за анализу кривих сјаја различитих небеских тела, од астероида, звезда до активних галактичких језгара и квазара.

Колики је значај учешћа српских научника у оваквом пројекту?

– Учешће на пројекту LSST пружа нашем тиму изузетну прилику за професионални развој кроз употребу најнапреднијих технологија као и држање корака са светском заједницом у разумевању универзума. На професионалном нивоу, то је признање доприноса наше земље глобалној научној заједници и прилика да унапредимо астрономију.

Очекујемо да пројекат, уз допринос српских стручњака и њихових аналитичких кодова и телескопских ресурса заједно са другим нацијама, како је нагласио директор Операција LSST Боб Блум, успешно оствари своје циљеве. Велика је част за Универзитет у Београду – Математички факултет и Астрономску опсерваторију Београд бити део овог међународног подухвата и представљати Србију у светском пројекту који ће обележити истраживања у оптичкој астрономији у првој половини 21. века.

Потпуно је јединствена прилика учествовати у светски водећем научном пројекту који ће померити границе сазнања модерне науке, технологије и примене вештачке интелигенције. Опсерваторија „Рубин“ и пројекат LSST отварају своја врата научницима из целог света да се на основу знања и експертизе укључе у пројекат, што га чини јединственим у односу на остале велике научне пројекте, који за учешће институција и научника углавном захтевају новчана улагања. Убеђени смо да ће LSST остварити планиране научне циљеве, а верујемо и да ће и превазићи наша очекивања и открити заправо нешто потпуно непознато и неочекивано.

Саговорници:

– проф. др Драгана Илић, Универзитет у Београду, Математички факултет
– проф. др Лука Поповић, Астрономска опсерваторија Београд и Универзитет у Београду, Математички факултет
– проф. др Анђелка Ковачевић, Универзитет у Београду, Математички факултет
– др Маша Лакићевић, Астрономска опсерваторија Београд