Projekt Seti@home
30.11.2008 | rubrika: Seti@home
ALFA
K dalšímu rozvoji projektu SETI@Home přispělo technické vylepšení radioteleskopu Arecibo. Jako většina radioteleskopů, tak i Arecibo funguje na principu zaměření svého paprsku na určitý bod na obloze a následnému naslouchání. Tato metoda funguje pro většinu vědeckých účelů. Astronomové studují radiové signály z hvězd a galaxií tak, že jednoduše zaměří požadovaný bod po určitou dobu a nahrávají přicházející signály. Existuje ale i přístup, pro který je tato metoda velmi neefektivní, a tím je celooblohové pátrání. Aby došlo k pokrytí celé oblohy jedním paprskem, musí být obloha rozdělena na miliony pozorování představujících jednotlivé body. Tento způsob je časově velmi náročný, a proto je prakticky nemožné provádět celooblohové pátrání pomocí teleskopu v Arecibu. Mezi vědci panuje soupeření o čas radioteleskopu, a tak je nemyslitelné, aby se na několik měsíců Arecibo vyhradilo pouze pro projekt SETI.
Tato charakteristika představovala pro vědce v projektu SETI závažný problém. Pro eliminování tohoto problému zvolil Dan Werthimer se svým týmem metodu označovanou jako piggy-back a umístili přijímač přímo nad talířovou anténu Areciba.
Vědci projektu SETI jsou ve výběru cílů podřízeni ostatním radioastronomickým projektům a analýza zachycených signálů neprobíhá většinou v reálném čase, neboť je prakticky nemožná. Pokud je radioteleskop vyhrazen pro projekt SETI, mohou být zachycené signály analyzovány v reálném čase. V takovém případě se radioteleskop může zaměřit kousek vedle místa potenciálního signálu, a jestliže nezačne slábnout či nezmizí, pak je jasné, že se jedná o pozemské rušení. Při využívání radioteleskopu jinými projekty SETI samozřejmě nad zaměřovacím paprskem nemá kontrolu a nemůže tedy zjistit, co se stane jeho posunutím. Zbývá pouze doufat, že mimozemšťané budou vysílat právě na dané frekvenci a z místa, kam je paprsek momentálně zaměřen, i v budoucnu a po čase se k němu opět vrátit.
Vědci projektu SETI ovšem nejsou zdaleka jediní, kdo má zájem o celooblohové pátrání. Ostatní skupiny astronomů, zkoumající složení vesmíru a různé kosmické objekty, také doufají v prozkoumání celé oblohy. Jejich možnosti se v roce 2004 velmi rozšířily technickým vylepšením radioteleskopu Arecibo. Dne 21. dubna 2004 byl totiž na radioteleskop umístěn vícepaprskový přijímač, tehdy jediný svého druhu. Jeho schopnost zaměřit naráz 7 různých bodů na obloze významně redukuje čas potřebný k prozkoumání celé oblohy a dokáže tedy pokrýt oblast 7x větší než s 1 paprskem.
Další důležitou událostí se stala spolupráce různých zájmových skupin zainteresovaných v radio výzkumech. Výzkumníci pulzarů předpokládají, že budou mít možnost nahlédnout ke vzniku a původu těchto unikátních objektů pomocí zmapování výskytu různých druhů pulzarů v mezihvězdném prostoru. Ostatní výzkumníky zajímá výskyt vodíku v mezigalaktickém prostoru pomocí sledování jeho frekvence 1420 MHz. Jelikož vodík představuje 71% hmoty a je tedy nejčastějším prvkem ve vesmíru, vědci věří, že takovýto výzkum nám může mnoho napovědět o vzniku, historii a formování hvězd a galaxií. Další vědci zase chtějí použít radioteleskop k detailnímu prozkoumání struktury Mléčné dráhy. V neposlední řadě ho vědci SETI chtějí také používat k hledání mimozemských signálů.
Všechny tyto zájmové skupiny v radio zkoumání oblohy spojily své síly při instalaci vícepaprskového přijímače na radioteleskopu Arecibo. Toto vědecké konsorcium je známé jako ALFA (Arecibo L-Band Feed Array).
Výhody vyplývající z tohoto uskupení jsou zřejmé nejen každému vědci, který se kdy pokoušel provádět pozorování na nějakém velkém radioteleskopu jako je Arecibo, ale je myšlenkou i samotných distribuovaných výpočtů, protože „V jednotě je síla“. Osamocený astronom, pracující na svém projektu, může doufat, že mu bude přidělen pozorovací čas v řádu několika hodin, maximálně dní. Naproti tomu konsorcium s podobným typem pozorování bude mít vyhrazen mnohem větší časový úsek pro jeho pozorování. Po uvedení vícepaprskového přijímače do provozu byla přibližně jedna třetina pozorovacího času Areciba vyhrazena pro pozorování v projektech ALFA. Když k tomu přičteme, že každý výzkum nyní trvá pouhý zlomek času oproti pátrání s jedním paprskem, dostaneme jasný výsledek. Nové vědecké konsorcium spolu s instalovaným vícepaprskovým přijímačem představují obrovský kvantitativní skok v radiovém pozorování celé oblohy na největším a nejcitlivějším teleskopu na světě.
Zvýšení citlivosti
Tento úspěch ovlivnil SETI výzkum několika důležitými způsoby. Především se jednalo o rozšíření pole působnosti a zvýšení citlivosti. Konečně se mohou Werthimer se svými kolegy posunout za hranice piggy-backu. Ačkoli je tato strategie svým způsobem geniální a představuje řešení v obtížné situaci, má i své stinné stránky. Jedná se především o pomalost, jelikož přijímači používající piggy-back zabere téměř celý rok, než dokončí průzkum celé oblohy. Pokrytí oblohy tímto způsobem je také velmi nerovnoměrné, jelikož některé oblasti na obloze jsou pozorovány mnohokrát, zatímco ostatní sotva jednou v závislosti na zájmu jiných astronomů, který se samozřejmě může od vědců SETI velmi lišit. Jako člen konsorcia má nyní SETI přístup k systematickým pátráním, která se konají v Arecibu. Tyto výzkumy také zaberou zlomek času oproti pátráním s jedním paprskem. Dalším přínosem je zvýšená úroveň citlivosti.
Ačkoli se jedná prakticky o sedm paprsků, vzhledem k nové technologii jsou mnohem citlivější než předcházející jeden, jelikož produkují mnohem menší elektromagnetický šum. To umožňuje rozeznat podstatně slabší signály než v předchozím pátrání. V neposlední řadě je SETI díky zvýšené kapacitě přijímače schopno pátrat v mnohem širším frekvenčním rozsahu, než s předchozím zařízením. Zatímco starý přijímač pátral v pásmu 100 MHz kolem frekvence vodíku 1420 MHz, nové přijímače pátrají kolem stejné frekvence v pásmu šíře 300 MHz.
Jakmile bylo zahájeno pravidelné pozorování, výzkum SETI udělal obrovský krok vpřed. Pravidelnější a rychlejší pátrání po obloze spolu se zvýšenou citlivostí a širším frekvenčním rozsahem posunulo hranice SETI o výrazný kus kupředu. Pokud k nám opravdu přicházejí mimozemské signály, potom s novým přijímačem máme mnohem větší pravděpodobnost tyto signály zachytit. Mezi léty 2004 – 2006 probíhalo důkladné testování celého systému. Až v červnu roku 2006 se tým projektu SETI@Home vydal do Areciba, aby se zapojil do aktivit. Během sedmi dní Dan Werthimer se svými kolegy kompletně přepracovali způsob, jakým jsou data SETI zaznamenávána.
Oproti původní anténě, která visela nad talířem radioteleskopu a byla vystavena atmosférickým vlivům, se vícepaprskový přijímač nachází uvnitř „Gregoriánské kupole“. To má svoji důležitost z hlediska geometrického tvaru. Parabolické antény mají výhodu, že svůj paprsek soustředí do jediného bodu a vytvářejí tak čistý a silný signál. Naproti tomu Arecibo svým tvarem polokoule koncentruje paprsek do linie, která nemůže být nikdy stejně silná a čistá jako v případě parabolické antény. Z tohoto důvodu byla na Arecibo umístěna Gregoriánská kupole, která díky svému geometrickému tvaru soustředí odražený paprsek z půlkulového talíře Areciba do jediného bodu uvnitř kupole. V praxi přetvoří půlkulový talíř na parabolický. K plnému využití této výhody musí být přijímač umístěn právě v onom ústředním bodě uvnitř kupole. Kupole obsahuje několik přijímačů s odlišnými charakteristikami, které se pravidelně střídají v onom centrálním bodě. Vícepaprskový přijímač je nejvýznamnějším doplňkem konsorcia ALFA a poskytuje vědcům SETI úroveň citlivosti, které by nikdy nemohlo být dosaženo pomocí liniové antény.
Každý ze sedmi přijímačů je přibližně pětkrát citlivější něž původní liniová anténa. Když to spojíme s novou aplikací SETI@Home - Enhanced, která je také pětkrát citlivější při detekci signálu, dostaneme 25-ti násobné zvýšení citlivosti celého projektu SETI@Home oproti období před rokem 2006.
Vícepaprskový přijímač také řeší jeden z hlavních problémů moderní radioteleskopie a tím je RFI (radio frequency interference - zarušení radiových frekvencí). Je faktem, že frekvence, na kterých teleskopy naslouchají slabým signálům z vesmíru, jsou rušeny všemožným vysíláním ze Země. Oddělení skutečných signálů od RFI je přetrvávající výzvou pro všechna radiová pozorování včetně SETI. Jelikož ovšem každý paprsek vícepaprskového přijímače sleduje odlišný bod na obloze, skutečný signál pocházející z vesmíru by se objevil pouze na jednom z nich. Pokud je nalezen na více paprscích, je prakticky jasné, že signál představuje pozemské zarušení.
Se znalostí veškerých těchto výhod se tým SETI@Home složený z Dana Werthimera, Jeffa Cobba a Joshe Von Korffa vydal do Areciba provést potřebné změny. Nejprve odpojili starý přijímač SETI od liniové antény a poté přepnuli spojení celé sítě na vícepaprskový přijímač. Hlavní komponentou celého přechodu byl zbrusu nový záznamník dat, postavený Danem Werthimerem a Aaronem Parsonsem se softwarovou výbavou od Jeffa Cobba. Navzdory svému prostému názvu záznamník (recorder) představuje tento kousek hardwaru mozek celého pozorování SETI . Nový záznamník zaznamenává 14 kanálů, jelikož každý ze sedmi paprsků přijímače nahrává data ve dvou různých polarizacích. Kromě svého primárního úkolu nahrávání vykonává ještě monitorování automatických vysílání Areciba, sleduje, který paprsek je momentálně v centrálním bodě, frekvenci současného pozorování a v neposlední řadě také kam je teleskop zaměřen. Pokud teleskop nevytváří data relevantní pro projekt SETI, záznamník přestane ihned nahrávat.
Jelikož všichni členové ALFA konsorcia mají zájem na efektivním zkoumání celé oblohy, vícepaprskový přijímač nesoustřeďuje svoji pozornost na jeden bod příliš dlouho dobu. Pokud se tak ovšem stane, záznamník SETI je programován tak, aby této situace využil. Běžně SETI záznamník naslouchá signálům na frekvenci 1420 MHz. Pokud ovšem teleskop zůstane sledovat 1 určitý bod na obloze po delší dobu, nemá smysl nahrávat stejnou oblast několikrát na stejné frekvenci. Místo toho přepne záznamník naslouchání na sousední frekvence 1422.5 MHz a 1425 MHz nad standardní hranicí, a na 1417.5 MHz a 1415 MHz pod běžnou hodnotou. Celkem může k využití volného času záznamník naladit až 21 různých frekvencí. Jen tak pro srovnání nové vybavení projektu SETI@Home Enhanced generuje 500 krát větší množství dat než jeho předchůdce což představuje 300 gigabytů denně nebo 100 terabytů za rok. Stejné množství dat je uloženo v celé knihovně Kongresu Spojených Států. Celkově vzato, během svého týdenního působení v Arecibu, Wertheimer, Cobb a Von Korff udělali prostřednictvím nových zařízení obrovský skok v efektivnosti a citlivosti SETI@Home. Netrvalo příliš dlouho a účastníci projektu SETI@Home mohli začít zpracovávat data zaznamenaná vícepaprskovým přijímačem Areciba přímo na svých domácích osobních počítačích.