Obsah:
2023 Autor: Brooke Calhoun | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-05-20 23:53
Těsně před půlnocí 3. září 2010 byla na webu spuštěna astronomická databáze. Osmé vydání údajů o infračerveném teleskopu Spojeného království (UKIRT) Infrared Deep Sky Survey (UKIDSS) nebylo z hlediska výpočetní techniky nijak zvlášť pozoruhodné, ale mělo značný vědecký význam: obsahovalo nová data o stovkách miliony astronomických objektů, mnohé z nich nikdy předtím nespatřené.
Naprostá většina těchto objektů byly obyčejné hvězdy podobné Slunci ve vlastní galaxii Mléčné dráhy Země, ale existovala asi 10procentní šance, že někde v terabajtech dat byl ukryt jediný objekt vzdálenější, než kterýkoli známý. Mým úkolem bylo to najít.
Chytání kvasaru
Byl jsem v mezinárodním týmu, který vedl můj kolega z Imperial College Steve Warren, a konkrétní typ objektu, který jsme hledali, byl kvasar. Toto je zářící akreční disk plynu, který se může vytvořit kolem supermasivní černé díry ve středu jinak obyčejné galaxie. Materiál vtahovaný do černé díry se stlačí a zahřeje do té míry, že snadno přezáří všechny hvězdy v hostitelské galaxii. V mnoha případech je tato hostitelská galaxie tak slabá, že není detekována a zůstává viditelný pouze kvasar.
Hlavním důvodem vynakládání takového úsilí na hledání vzdálených kvasarů je zejména to, že jsou zdaleka nejjasnějšími, a tudíž nejodhalujícími astronomickými objekty v raném vesmíru. V roce 2010 se astronomům zdál nejvzdálenější známý kvasar takový, jaký byl, když byl vesmír starý 900 milionů let, tedy pouhých 7 procent jeho současného stáří 13,9 miliardy let. (Konečná rychlost světla znamená, že větší fyzické vzdálenosti se promítají do větších vzdáleností v čase, neboli doby zpětného pohledu.)
Je pozoruhodné, že disk zářícího plynu o velikosti naší sluneční soustavy lze vidět miliardy světelných let daleko, ale poměrně malá velikost kvasarů také znamená, že se při pohledu ze Země jeví jako hvězda, pouze nevyřešené světelné body v noční oblohu. To je jeden z důvodů, proč může být tak těžké najít kvasary: Na jakémkoli astronomickém snímku pořízeném přes filtr s jednou vlnovou délkou jsou k nerozeznání od běžných hvězd, které je masivně převyšují.
Tajemství hledání kvasarů spočívá v hledání jejich výrazných barev. Nejvzdálenější kvasary mají velmi červenou barvu, na optických vlnových délkách jsou téměř neviditelné, zatímco v blízké infračervené oblasti vypadají jasně. (To je způsobeno kombinací kosmologické expanze - kterou Doppler posouvá všechno světlo na delší vlnové délky - a absorpcí neutrálními - tj. neionizovanými - atomy vodíku přítomnými v raném vesmíru.) Naproti tomu hvězdy mají rády hlavně Slunce emitují optické světlo, i když chladnější hnědí trpaslíci (v podstatě "nezdařené" hvězdy, ve kterých se vodíková fúze nikdy nerozběhla) jsou téměř stejně červení jako cílové kvasary. Hledání kvasarů se tedy obvykle provádí porovnáním snímků stejné části oblohy pořízených pomocí různých filtrů vlnových délek.
Pokud by byla data UKIDSS dokonalá, mohlo by být možné okamžitě identifikovat jakýkoli rekordní kvasar. Ale všechna skutečná astronomická data jsou zašuměná: Naměřené barvy zdrojů v katalogu UKIDSS (a všech ostatních sad dat) zcela neodpovídají jejich skutečným hodnotám.
Výsledkem je, že v grafu naměřených poměrů jasu z různých filtrů se hvězdy a hnědí trpaslíci překrývají se vzdálenými kvasary. Tradiční přístup identifikace všech objektů barvami, jako jsou cílové objekty, který fungoval při předchozích vyhledáváních na menší vzdálenosti, by byl s UKIDSS beznadějně neefektivní.
To mohl být pro projekt snadno potenciálně fatální problém, protože objektů bylo příliš mnoho na to, aby je bylo možné blíže prozkoumat pomocí opětovného pozorování. Potřeboval nějaký způsob, jak upřednostnit nejlepší kandidáty pouze na základě dostupných údajů.
Tento druh problému – jak nejlépe využít omezená astronomická data – je předmětem nově vznikající oblasti astrostatistiky (která se bez ohledu na stížnosti Microsoft Word 2011 píše bez pomlčky).
Astrostatistika třídí velká data
Řešení, se kterým jsme přišli, bylo použít statistickou techniku porovnávání Bayesovských modelů k posouzení každého kandidáta, a to tak, že jsme zvážili, která ze dvou hypotéz byla více konzistentní s daty: že daný objekt je (studená) hvězda nebo že objekt je (vzdálený) kvasar.
Další důležitou složkou této metody je Bayesův teorém, základní matematický výsledek publikovaný posmrtně presbyteriánským ministrem Thomasem Bayesem (1701-1761). Tento teorém vyžaduje zahrnutí předchozích informací, spíše než jen dostupných dat. To je často uváděno jako důvod nepoužívat Bayesovské metody, protože se často může zdát, že nejsou k dispozici žádné jiné, dříve užitečné informace. Ale v našem případě jsme aktivně potřebovali využít (dřívější) skutečnosti, že počet hvězd převyšuje kvasary o mnoho tisíc ku jedné. Pravděpodobnost, že jakýkoli objekt vybraný náhodně z databáze UKIDSS bude vzdáleným kvasarem, byla odpovídajícím způsobem nízká, a tak by většina zdánlivě nadějných kandidátů byla správně vyřazena.
Dalším přitažlivým aspektem bayesovského přístupu je to, že automaticky zakóduje mnoho kritérií, která jsme intuitivně (a kvalitativně) uplatňovali, když jsme poprvé zahájili vyhledávání. Slabší objekty byly odmítnuty, protože odhady barev byly méně přesné; nyní byli objektivně seřazeni v sestupném pořadí podle skutečnosti, že když hvězda zeslábne, mohla by nakonec mít naměřené barvy kvasaru. Pozorovali jsme nejednoznačné objekty s odměřenými barvami uprostřed mezi dvěma populacemi s omezeným nadšením; nyní byli odmítnuti, protože je mnohem pravděpodobnější, že byli „rozptýleni“z dominantní hvězdné populace.
Výsledkem použití bayesovského klasifikačního schématu na data UKIDSS bylo, že vstupní seznam desítek tisíc zdánlivě dobrých kandidátů byl zredukován na méně než 50 objektů. Tři z nich již byly identifikovány jako velmi vzdálené (ale ne zcela rekordní) kvasary dřívějším průzkumem Sloan Digital Sky Survey (SDSS), což je důležité potvrzení našeho přístupu. Rychlá následná pozorování k potvrzení měření UKIDSS u zbytku nám umožnila vyřadit všechny ostatní kandidáty kromě dvou; poslali jsme souřadnice dvou přeživších do Gemini North Telescope pro přesnější spektroskopická měření (ve kterých je světlo rozděleno do různých vlnových délek).
Odhalen starověký kvasar
První ze dvou objektů s možná neinspirativním názvem ULAS J1120+0641 byl pozorován v noci 27. listopadu 2010 a okamžitě se ukázalo, že jde o nejvzdálenější známý kvasar, čímž překonal dosavadního rekordmana. o celých sto milionů let.
Našli jsme, co jsme hledali – a krátká doba mezi prvním zveřejněním dat a potvrzením byla důležitá, protože existovaly další výzkumné skupiny s přístupem ke stejným datům, které se pokoušely o stejné vyhledávání. (Druhý objekt, ULAS J1148+0702, byl také potvrzen jako kvasar, ale nacházel se ve stejné vzdálenosti jako o něco bližší kvasary nalezené dříve SDSS.) V době od svého objevu byl kvasar ULAS J1120+0641 pozorováno pomocí dalekohledů po celé planetě a Hubbleova vesmírného dalekohledu na oběžné dráze.
Vědci dodnes odhalují tajemství tohoto kvasaru. Kromě odhalení toho, jaké byly podmínky 800 milionů let po Velkém třesku, je ULAS J1120+0641 také domovem nejstarší dosud nalezené supermasivní černé díry, netvora s hmotností dvě miliardykrát větší než je hmotnost Slunce, která měla v rozporu s většina standardních teorií vzniku černých děr se nějak spojila v kosmologicky krátkém čase, který je k dispozici. A nic z toho by nebylo možné bez kusu matematiky provedeného presbyteriánským knězem z 18. století.