apximhd | Ван-ден-Берг о будущем астрономии (Reply)

Настоящая статья является авторизованным пересказом статьи астрофизика Сиднея ван-ден Берга, опубликованной в конце 1999 года.

«Только дураки рискуют предсказывать будущее» — этими словами Эразма Роттердамского предварил свою статью, посвященную перспективам наблюдательной астрономии XXI века, известный астрофизик Сидней Ван-ден-Берг, член национального исследовательского совета Астрофизической обсерватории Канадского Доминиона.

Не вызывает сомнений, пишет Ван-ден-Берг, что в астрономии XXI столетия будет доминировать компьютерная обработка гигантских объемов однородных данных об астрономических объектах различного типа. Кроме того, сведение результатов всех наблюдений, выполняемых на больших телескопах, в единую базу данных позволит использовать методы data mining с беспрецедентной эффективностью.

Устоявшегося русскоязычного перевода для термина data mining (дословно: «добыча данных») нет. Можно определить его как «нетривиальные методы извлечения существующей, но прежде неизвестной и потенциально полезной информации, которая содержится в базе данных». Эти методы включают самообучающиеся алгоритмы, статистический анализ и способы визуализации и представления информации в форме, наиболее близкой человеческому восприятию.

Да будет свет!

Прогнозы относительно будущих направлений исследований в науке не могут быть долгосрочными. Основная причина, несомненно, состоит в том, что все наиболее важные открытия в науке всегда одновременно являются и самой большой неожиданностью. Из этого следует, что ни одно значительное открытие в астрономии не может быть предсказано простой линейной экстраполяцией предыдущих достижений. Кроме того, немаловажную, если не основную роль в прогрессе науки играет элемент везения.

Тем не менее, можно согласиться с суждением Джорджа Эллери Хейла, основателя обсерватории Маунт Вильсон, заметившим, что прогресс в наблюдательной астрономии всегда шел под лозунгом «Света! Больше света![1]». Вряд ли эта тенденция переменится в ближайшем будущем. Пока мы сами не сможем приблизиться к звездам, нам придется ловить те крохи их излучения, которые добираются до нас из глубин Вселенной.

Величайшим достижением наблюдательной техники конца XX века стала замена фотопластинок электронными ПЗС-матрицами. Это позволило в сто раз увеличить количество улавливаемых фотонов. Кроме того, ПЗС-матрицы предоставляют первичные данные сразу в цифровом виде, что существенно облегчает их дальнейшую обработку. Дополнительный прирост общего количества собираемого света, по меньшей мере, еще в сто раз, был осуществлен за счет перехода от одного 5-метрового Паломарского рефлектора к множеству разбросанных по миру больших телескопов с диаметрами зеркал от 5 до 10 метров. Но фотонная эффективность ПЗС-матриц уже близка к 100%, а дальнейшее существенное увеличение диаметров телескопов, хотя и возможно технически, но вряд ли ориентированное на потребление общество пожелает оплачивать необходимые для этого расходы.

Кажется, единственный оставшийся способ увеличения количества фотонов, попадающих в руки астрономов, заключается в увеличении линейных размеров детекторов и, следовательно, поля зрения, что позволило бы увеличить область неба, которая может быть единовременно зафиксирована прибором. Подобные широкоугольные детекторы сделают возможным выполнять огромные обзоры различных классов астрономических объектов. Можно также помечтать о приемниках, позволяющих определять длину волны каждого отдельного фотона, что еще на несколько порядков увеличило бы количество собираемой телескопом информации.

Когда в шестидесятых годах Ван-Ден-Берг посетил Паломарскую обсерваторию, несколько разных исследователей показывали ему одну или несколько пластинок с изображением Крабовидной туманности. Каждый из них ревниво хранил такие пластинки в своих личных ящиках! Очевидно, что ситуация, когда данные, добытые на больших телескопах, не становятся частью общего наследия человечества, делает их использование крайне неэффективным. В будущем, надеется Сидней, все результаты наблюдений на больших телескопах станут доступными в виде больших открытых баз данных, откуда любой желающий сможет извлечь их или поместить свои. Это даст возможность каждому фотону, независимо от того, где и когда он был зафиксирован, внести свой вклад в прогресс астрономии.

Галактики

Несколько лет тому назад финансовое агентство попросило Ван-ден-Берга оценить предложение о создании цифрового обзора неба (Sloan Digital Sky Survey). Ознакомившись с проектом, он был буквально потрясен, осознав, что создание таких огромных баз данных и манипуляции с ними могут и должны стать центральными задачами в астрономии XXI века.

Ван-ден-Берг упоминает, что накануне нападения Германии на СССР на предложение уделить первостепенное внимание качеству танков, вместо того, чтобы наращивать их производство, Иосиф Сталин ответил: «Количество само по себе является качеством!» Компьютерный чип, содержащий миллионы полупроводниковых переходов в каждом слое, — замечает Ван-Ден-Берг, — качественно отличается от устройства, содержащего несколько вакуумных ламп. Точно также человеческий мозг, содержащий миллиарды нейронов, позволяет исследовать «измерения», недоступные крохотной головке лесного муравья.

Доступность больших обзоров, содержащих миллионы галактик должна позволить нам глубже понять многие аспекты эволюции Вселенной. Точность автоматической классификации отдельных изображений галактик компьютерными нейронными сетями пока что существенно ниже, чем у таких корифеев как Вакуолер, Сэндидж или Морган, однако перемалываемые миллионами компьютеров гигантские объемы данных позволят нам исследовать различия в пространственном распределении галактик различных типов с использованием миллионных выборок.

Кроме того, огромные наборы данных, содержащие галактики с различным красным смещением, сделают возможным изучение, как эволюции различных типов галактик, так и изменения частоты столкновений и слияния галактик на промежутке времени, охватывающем большую часть срока существования Вселенной. И, наконец, исследование очень больших выборок галактик может позволить обнаружить очень редкие или необычные объекты, которые заслуживают более пристального изучения.

Интересно, что такой предполагаемый стиль астрономических наблюдений в XXI веке, который основывается на изучении больших выборок данных, оказывается больше похож на то, чем занимался Шепли и его сотрудники в Гарварде в тридцатых годах XX века, чем на современные научные исследования, ставящие во главу угла скрупулезное изучение индивидуальных объектов.

Квазары

Из публикаций в средствах массовой информации может сложиться впечатление, что астрономы питают особое пристрастие к событиям катастрофическим, таким как взрывы сверхновых и вспышки в активных галактических ядрах. В какой-то мере, это правда. Сверхновые вызывают такой повышенный интерес, поскольку подобные события, во-первых, высвобождают огромные количества энергии, во-вторых, производят огромные количества тяжелых элементов, необходимых для формирования планет земной группы и вообще самого существования феномена жизни, в-третьих, могут быть использованы в качестве реперов метагалактической шкалы расстояний и, в четвертых, потому что они могут приводить к формированию черных дыр.

Видится вполне возможным, что отдельные сверхновые II типа могут быть обнаружены на расстояниях гораздо больших, чем те, на которых можно наблюдать галактики, состоящие из бедного металлами звездного населения первого поколения. И именно большие цифровые обзоры неба могут быть использованы для составления выборок древних сверхновых, находящихся на окраине наблюдаемой части Вселенной.

Большие, глубокие обзоры должны также позволить изучить редкие квазары с необычно большими красными смещениями, которые сформировались, когда Вселенная была еще совсем молодой. Кроме того, подобные обзоры могли бы помочь выловить множество необычных активных ядер, которые можно было бы затем более тщательно изучать с помощью больших телескопов, дающих крупномасштабное изображение.

Не стоит, однако, забывать предупреждение Эразма: «Мы все одурачены известным фокусом, который состоит в том, что чем дальше что-то от нас, тем более оно нам симпатично». Поэтому всегда следует понимать, как много информации может быть получено и из детального изучения близлежащих галактик, и из статистического анализа больших обзоров, которые могут использоваться для систематических исследований самых старых и наиболее бедных металлами объектов в нашей Галактике.

Будущее

Нужно всегда быть готовым к неожиданностям. 2,5-метровый телескоп обсерватории Маунт Вильсон был построен, в первую очередь, для того чтобы обеспечить достаточно света для спектроскопических исследований, но его главное историческое предназначение оказалось в том, что он позволил Хабблу обнаружить расширение Вселенной.

Точно также паломарский пятиметровый рефлектор предназначался для уточнения внегалактической шкалы расстояний, но это достижение, вероятно, померкнет в истории рядом с тем, что именно на этом телескопе были обнаружены первые квазары.

Харлоу Шепли когда-то заметил, что более правильным было бы вешать орденские ленты на оси больших телескопов, чем медали на шеи известных астрономов. Недавний опыт с телескопом Keck и космическим телескопом им. Хаббла подтверждает это мнение. Строительство все более мощных телескопов было главной движущей силой на фоне многих наиболее захватывающих достижений современной астрономии. Однако может оказаться, что большие детекторы излучения и быстрые компьютеры, позволяющие анализировать все возрастающие объемы данных, станут наиболее важными двигателями прогресса астрономии двадцать первого столетия.

В заключение Ван-ден-Берг цитирует бейсболиста Йогу Берра: «Будущее — совсем не то, чем это имело обыкновение быть».

Литература

Sydney Van-den-Berg. http://xxx.lanl.gov, ArXiv:astro-ph/9909294
Эразм Роттердамский, 1510, Похвала глупости
Hubble, E. 1929, Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 15, 168
Woodbury, D. O. 1944, The Glass Giant of Palomar, (New York: Dodd, Mead \& Co.), p. 326

[1] По преданию — предсмертные слова Гёте.

Каждый имеет право воспроизводить, распространять и/или вносить изменения в настоящую статью в соответствии с условиями GNU Free Documentation License, Версии 1.2 или любой более поздней версией, опубликованной Free Software Foundation; данная статья не содержит неизменяемых разделов, не содержит текста, помещаемого на первой странице обложки и не содежит текста, помещаемого на последней странице обложки.