Kaip šieno kupetoje atrasti… mikroskopines kosmoso dulkeles, kurių niekada nematė žmogaus akis? Šią neeilinę užduotį jau daugiau nei dešimtmetį mokslininkams padeda spręsti „piliečiai mokslininkai“.
Kaip šieno kupetoje atrasti… mikroskopines kosmoso dulkeles, kurių niekada nematė žmogaus akis? Šią neeilinę užduotį jau daugiau nei dešimtmetį mokslininkams padeda spręsti „piliečiai mokslininkai“.
„Stardust“ erdvėlaivis su teniso raketės formos aerogelio kolektoriumi. ©NASA (CC0)
2006-ųjų rugpjūtį, Jutos (JAV) dykumoje nusileidusi NASA „Stardust“ kosminės misijos kapsulė atgabeno ypatingą mėginį. Joje esančiame aerogelio kolektoriuje, kaip tikėtasi, buvo įstrigusios pirmą kartą į Žemę parneštos tarpžvaigždinės medžiagos dulkelės. Šiuos mėginius analizuoti iškart ėmėsi Berklio universiteto Kalifornijoje Kosmoso mokslų laboratorijos mokslininkai. Tačiau greitai, pasiekę akligatvį, suprato – be visuomenės pagalbos išsiversti nepavyks!
NASA „Stardust“ misija truko aštuonerius metus. Pagrindinis jos tikslas buvo pargabenti medžiagos pavyzdžių iš „81P / Wild“ kometos. Tačiau be to zondas išskleidė savo gaudytuvą dar du kartus, surinkdamas iš tarpžvaigždinės erdvės į Saulės sistemą „atsviestų“ dulkių. Nors buvo spėjama, kad pavyks pagauti tik apie 40 tokių dulkelių, šis mėginys buvo be galo svarbus. Buvo tikimasi, jog dulkelių pavyzdžiai padės atskleisti faktų apie pačios Saulės sistemos susiformavimą, bei leis patikrinti iki tol vien teorija ir astronominiais stebėjimais paremtas žinias apie tarpžvaigždinę medžiagą.
Tačiau kaip teniso raketės dydžio kolektoriuje atrasti vos kelias dešimtis, o galbūt ir mažiau, ten patekusių mikroskopinių dulkelių?
Mokslininkai L. Džonsono kosminiame centre Hiustone, Teksase (JAV) apžiūrinėja „Stardust“ erdvėlaivio pargabentą aerogelį.
© NASA (CC0)
Negana to, šios dulkelės, kitaip nei to paties kolektoriaus surinkta kometos medžiaga, nėra matomos plika akimi. Norint jas aptikti ir izoliuoti iš aerogelio tolesniems tyrimams, reikia mikroskopu sluoksnis po sluoksnio analizuoti po mažiausią aerogelio ploto vienetą, ir stengtis atpažinti jame paliktus dulkelės pėdsakus.
Tuo tarpu kompiuterinių algoritmų darbą apsunkina ir aerogelyje natūraliai pasitaikantys įtrūkimai ir kiti defektai, kuriuos atskirti nuo subtilių tikrųjų dulkelių pėdsakų vaizdo atpažinimo programoms labai sunku. Taigi patikimai šią užduotį galėjo atlikti tik akyla žmogaus akis.
Netrukus mokslininkams teko pripažinti, jog vieni su šiuo iššūkiu nesusidoros. Jų skaičiavimais, vienai mokslininkų komandai, naudojantis turimais resursais, peržiūrėti visą aerogelį ir surasti visas ten įstrigusias tarpžvaigdinės medžiagos dulkeles galėtų užtrukti virš 100 metų. Tačiau vienam projekto vadovų, dr. Andrew Westphal, kilo originali idėja.
Berklio universitete, kur dirbo dr. Westphal, prieš kelerius metus buvo sukurtas precedentų neturintis ir tikrą perversmą mokslinėje kompiuterijoje sukėlęs SETI@home projektas. Tai paskirstyto skaičiavimo (angl., „distributed computing“) projektas, „įdarbinantis“ prie tinklo prisijungusių savanorių kompiuterius, taip išnaudojantis tuo metu nenaudojamą individualių kompiuterių galią sudėtingiems moksliniams skaičiavimams atlikti. SETI@home atveju tai – nežemiškos gyvybės visatoje paieškos. Tokios sistemos galingumas gerokai pranoksta bet kokį šiuolaikinį superkompiuterį. SETI@home projektas davė pradžią ir BOINC paskirstyto skaičiavimo platformai, kuria dabar jau naudojasi kelios dešimtys įvairių mokslinių ir ne mokslo projektų.
Tuo tarpu, dr. Westphal kilo alternatyvi mintis – kodėl panašaus modelio nebūtų galima pritaikyti ir „Stardust“ kosminių dulkių paieškoms? Tačiau užduotis paskirstant ne kompiuteriams, o žmonėms? Taip gimė iki šiol gyvuojantis, pirmasis tokio pobūdžio piliečių mokslo projektas stardust@home.
Netrukus buvo parengta tūkstančiai mikroskopu darytų aerogelio nuotraukų, o dr. Westphal kartu su kolegomis sukūrė specialų įrankį – „virtualų mikroskopą“. Šiuo, tiesiog naršyklėje veikiančiu, įrankiu galima „skenuoti“ ir analizuoti nedidelio ploto aerogelio sluoksnius, ieškant dulkelių pėdsakų.
stardust@home virtualus mikroskopas. Dešinėje esanti skalė leidžia „fokusuoti“ aerogelio gabaliuką auštyn ir gilyn, taip tarsi tikru mikroskopu analizuojant skirtingus aerogelio sluoksnius. ©stardust@home
Tiesa, norint pradėti analizuoti iki tol niekam nematytas aerogelio nuotraukas pirmiausia reikia įveikti apmokymo fazę bei dešimties pavyzdžių testą, kuris parodo ar turi „dulkelių gaudytojui“ (angl., „duster“) reikalingų įgūdžių ir gebi nuotraukose atpažinti dulkelių pėdsakus. Jei teisingai identifikuoji 8 iš 10 testo pavyzdžių, gali pradėti analizuoti tikras „Stardust“ aerogelio nuotraukas. Tokių pavyzdinių nuotraukų dalyviai susilaukia ir vėliau – taip periodiškai matuojama, kaip gerai „dulkelių gaudytojas“ gali identifikuoti dulkelių pėdsakus, įsitikinant, kad pateikiami tikslūs atsakymai. Be to, pavyzdžių atpažinimas apdovanojamas taškais, o geriausiųjų gaudytojų dešimtukas skelbiamas projekto tinklalapyje.
Nuo stardust@home projekto pradžios 2006-aisiais prie jo prisijungė jau daugiau nei 30 tūkstančių dalyvių. Didžioji dauguma jų – niekaip su kosmoso tyrimais ar astrofizika nesusiję žmonės, tiesiog norintys prisidėti prie mokslo progreso.
„Į visuomenę pagalbos kreipėmės, neturėdami kitos išeities, – teigia stardust@home kūrėjas ir mokslinis vadovas dr. Andrew Westphal. – Tačiau piliečių mokslininkų įsitraukimas ir rezultatai pranoko visus lūkesčius.“
Pasak 2014-aisiais prestižiniame žurnale „Science“ publikuoto, stardust@home rezultatus pristačiusio mokslinio straipsnio, nuo projekto pradžios, išanalizavus vos pusę aerogelio kolektoriaus, jau buvo atrasta daugiau nei 70 patvirtintų dulkelių pėdsakų. Iš jų, beveik visus atrado „dulkelių gaudytojai“. Tuo tarpu patys mokslininkai atrado tik du. Visi prie šios analizės prisidėję piliečiai mokslininkai tapo ir šio straipsnio bendraautoriais.
Šias daleles „kandidates“ išskyrus iš aerogelio ir ištyrus skirtingais mikroskopijos metodais bei rentgeno spinduliais, septynios buvo patvirtintos kaip tarpžvaigždinės dulkės. Dalis likusių pėdsakų priklausė nuo paties erdvėlaivio nukritusioms dalelėms, arba jų kilmės patikimai nustatyti nepavyko.
Dulkeles identifikavę stardust@home dalyviai patys galėjo joms skirti ir vardus: „Oreon“, „Hylabrook“, „Sorok“ ir kt. Tiesa, kai kurios iš šių dulkelių mokslininkams pateikė ir dar daugiau staigmenų.
Aerogelyje įstrigusi „Oreon“ tarpžvaigždinė dulkelė. Šią dulkelę pirmasis atrado stardust@home „dulkelių gaudytojas“, staliaus išsilavinimą turintis pensininkas Bruce Hudson, gyvenantis Ontario valstijoje, Kanadoje.
© NASA / stardust@home | i.cbc.ca
Pasirodė, jog tam tikri „dulkelių gaudytojų“ pastebėti, tačiau mokslininkų nenumatyti pėdsakai priklauso ypatingoms, į aerogelį visai netikėtai patekusioms ir į jį palyginus lėtai įsirėžusioms tarpžvaigždinėms dulkelėms. Tokių pėdsakų išvysti mokslininkai visai nesitikėjo, nes laboratorijoje atliktos dulkelių susidūrimo su aerogeliu simuliacijos numatė visai kitokius rezultatus. Vis dėl to, toks mėginys į Žemę buvo pargabentas pirmą kartą, o laboratorijoje sukurti modeliai negalėjo atsižvelgti į dar nežinomus veiksnius ar dalelių tipus.
Šis atradimas ne tik padėjo identifikuoti daugiau mėginyje įstrigusių tikrų tarpžvaigždinių dulkelių, bet ir pakeitė stardust@home naudotojų apmokymo parametrus, kad dalyviai išmoktų atpažinti ir šio tipo pėdsakus.
Atrastų dulkelių sudėtis taip pat pateikė netikėtumų, ir privertė mokslininkus abejoti teoriniais modeliais bei astronominiais duomenimis, kurie iki šiol buvo vienintelis žinių apie tarpžvaigždinę medžiagą šaltinis.
Per trylika gyvavimo metų, stardust@home projektas jau įgyvendino kelias analizės „fazes“. Kiekvienoje iš jų analizuojami vis nauji aerogelio gabalėliai. Be to, išanalizavus daugiau nei pusę „Stardust“ pargabento aerogelio, mokslininkai pastebėjo ir dar vieną fenomeną. Net keturios dulkelės buvo netikėtai aptiktos aerogelio gabalėlius laikančio aliuminio rėmelyje. Taip stardust@home atsirado dar viena atskira misija – „Foils“, skirta ieškoti jau visai kitaip atrodančių dulkelių pėdsakų aliuminėje kolektoriaus dalyje.
Negana to, stardust@home įkvėpė ir daugybę kitų internetinių piliečių mokslo projektų. Pavyzdžiui, garsaus astrofizikos projekto „Galaxy Zoo“ kūrėjai idėjos sėmėsi būtent iš stardust@home. „Galaxy Zoo“ projekte savanoriai padeda klasifikuoti kosminiais teleskopais darytų galaktikų nuotraukas pagal jų formą. Kaip ir stardust@home, taip ir šie tyrimai be piliečių mokslininkų pagalbos tiesiog nevyktų. Tokios kosminės programos kaip Sloan dangaus apžvalgos (Sloan Digital Sky Survey) arba DECaLS (Dark Energy Camera Legacy Survey) surenka tiek daug duomenų, jog mokslininkai su jais tiesiog negali susidoroti.
Vos paleidus „Galaxy Zoo“ projektą, prie jo prisijungė virš 100 tūkstančių žmonių. Panašiai kaip stardust@home projekte, ir čia piliečiai mokslininkai padėjo padaryti visiškai netikėtų atradimų. Pavyzdžiui, jų dėka atrastas iki tol nežinomas Žaliųjų žirnelių galaktikos tipas. Šios galaktikos pasirodė ypač svarbios ankstyvosios visatos tyrimams.
„Galaxy Zoo“ piliečių mokslininkų išanalizuotais duomenimis remiasi astrofizikai visame pasaulyje. Šie tyrimai aprašyti daugybėje mokslinių straipsnių. Vėliau „Galaxy Zoo“ išaugo į daugiau nei 100 piliečių mokslo projektų turinčią, itin populiarią piliečių mokslo platformą – „The Zooniverse“.
2016-aisiais, praėjus dešimčiai metų nuo stardust@home įkūrimo pradžios, projekto „virtualus mikroskopas“ buvo pritaikytas ir žemiškesnių – su Alzheimerio liga susijusių – duomenų analizei. Taip gimė šiandien daugiau nei 20 tūkstančių žaidėjų turintis „Stall Catchers“ žaidimas, nuo sukūrimo pradžios jau padėjęs Kornelio mokslininkams atsakyti ne vieną svarbų mokslinį klausimą apie Alzheimerio liga sergančių pelių smegenyse pasitaikančius kraujagyslių užsikimšimus.
Taip precedentų neturintis stardust@home projektas sukėlė tikrą perversmą ne tik kosminių dulkių tyrimuose, tačiau ir piliečių moksle. Pasak stardust@home vadovo dr. Westphal, šie tyrimai padeda vis labiau įtikinti visuomenę ir visą mokslo bendruomenę, jog piliečių mokslininkų indėlis lemia ne tik patikimus mokslinius tyrimus, tačiau ir svarbius, o dažnai ir netikėtus, mokslinius proveržius.
Šaltiniai:
- http://stardustathome.ssl.berkeley.edu
-
The Crowd & The Cloud, Episode 1: Even big data starts small (2016)
http://crowdandcloud.org/watch-the-episodes/episode-one - Westphal, A. J., Butterworth, A. L., Snead, C. J., Craig, N., Anderson, D., Jones, S. M., … & Zolensky, M. E. (2005). Stardust@ home: a massively distributed public search for interstellar dust in the stardust interstellar dust collector.
- Westphal, A. J., Stroud, R. M., Bechtel, H. A., Brenker, F. E., Butterworth, A. L., Flynn, G. J., … & Simionovici, A. S. (2014). Evidence for interstellar origin of seven dust particles collected by the Stardust spacecraft.science,345 (6198), 786-791.
- Westphal, A. J., Anderson, D., Butterworth, A. L., Frank, D. R., Lettieri, R., Marchant, W., … & Capraro, M. (2014). Stardust Interstellar Preliminary Examination I: identification of tracks in aerogel.Meteoritics & Planetary Science,49 (9), 1509-1521.
