Astronomen hebben veel hulpmiddelen om de kosmos te bestuderen: telescopen, satellieten, interplanetaire ruimtevaartuigen en meer. Het nederige menselijke oog is ook een cruciaal onderdeel van deze toolkit, omdat het vaak patronen of afwijkingen kan herkennen die algoritmen missen. En de controlerende kracht van onze visie is onlangs versterkt door virtual reality (VR) en door duizenden ogen die samenwerken dankzij de crowdsourcing-kracht van internet.
Onderzoekers van het Goddard Space Flight Center van NASA hebben onlangs de ontdekking aangekondigd van 10 sterren omringd door stoffige puinschijven – wervelende massa’s gas, stof en gesteente die overblijven na de vroegste fasen van planeetvorming. Dit resultaat, mogelijk gemaakt door VR en de hulp van burgerwetenschappers, werd onlangs gepubliceerd in de Astrofysisch tijdschrift. De bevindingen kunnen astronomen helpen een tijdlijn samen te stellen van hoe planetaire systemen worden gebouwd.
Puinschijven omvatten verschillende stadia van planeetvorming, inclusief de jeugdige tijdperken waarin werelden nog steeds ingebed zijn in het afval van de rommelige, chaotische processen van hun geboorte. Hoewel astronomen er een paar direct hebben kunnen zien, zijn de meeste van deze jonge planeten buiten het bereik van de huidige telescopen. Het maken van een planetair systeem duurt miljoenen jaren, dus elke puinschijf die waarnemers zien, is slechts een korte momentopname van een moment in het leven van dat systeem. Om het hele verhaal te ontdekken, zoeken astronomen naar vele met schijf omhulde planetenstelsels in verschillende stadia van evolutie, waarbij ze meerdere snapshots verzamelen om samen te voegen in een tijdlijn.
Om op puinschijven te jagen, beginnen waarnemers meestal met het zoeken naar sterren die bijzonder helder lijken in het infrarood; die abnormale helderheid komt meestal van een overvloed aan door sterrenlicht opgewarmd stof in een schijf rond een ster. NASA’s infraroodtelescoop WISE (Wide-Field Infrared Survey Explorer) onderzocht de hele hemel en creëerde wat in sommige opzichten de meest uitgebreide catalogus tot nu toe is van stellaire infraroodmetingen. Wat moet een wetenschapper doen met tienduizenden gegevenspunten die moeten worden geanalyseerd en veel puinschijven die waarschijnlijk verborgen zijn in de WISE-catalogus?
“Het is een goed voorbeeld van hoe veel van de moderne astronomie bestaat uit het doorzoeken van enorme datasets naar de spreekwoordelijke naald in de hooiberg”, zegt Meredith Hughes, een astronoom aan de Wesleyan University, die niet bij het onderzoek betrokken was. “Zelfs met algoritmen voor machinaal leren, is het nog steeds moeilijk om computers te trainen om dit complexe werk te doen van het identificeren van luidruchtige patronen en het opmerken van subtiele afwijkingen van verwachtingen, en dat is waar de collectieve denkkracht van burgerwetenschap van pas komt.”
Een project genaamd Disk Detective trainde burgerwetenschappers – gewone mensen die in hun vrije tijd willen helpen bij onderzoek – om naar WISE-afbeeldingen te kijken en deze te vergelijken met die van andere astronomische onderzoeken, zoals de SkyMapper Southern Sky Survey, de Pan-STARRS survey en de Two Micron All Sky Survey (2MASS), met als doel de aanwezigheid van schijven rond elke kandidaat-ster te bevestigen. Sinds de start van het project in 2014 hebben burgerwetenschappers meer dan 40.000 schijven gevonden – dat zijn 40.000 momentopnamen van de geschiedenis van hoe planeten ontstaan.
Om deze in een tijdlijn te plaatsen, moeten astronomen echter uitzoeken waar elke snapshot thuishoort. Met andere woorden, wetenschappers moeten de leeftijden van elke ster en zijn puinschijf weten. “Als we de leeftijden van sterren en planeten kennen, kunnen we ze in een reeks plaatsen – van baby tot tiener tot volwassene, als je wilt”, zegt Marc Kuchner, een NASA-astrofysicus en co-auteur van de nieuwe studie. “Dat stelt ons in staat te begrijpen hoe ze zich vormen en evolueren.”
Het met enige substantiële precisie vaststellen van de leeftijd van een ster is een notoir lastig probleem in de astronomie. Een oplossing is om een ster te matchen met zijn broers en zussen, in een vereniging die bekend staat als een bewegende groep. Sterren vormen zich vaak in clusters van één gigantische gaswolk, maar veel van deze eens zo hechte stellaire families drijven uit elkaar naarmate ze ouder worden, en hun individuele leden verspreiden zich over de Melkweg. Door de locaties en snelheden van sterren nauwkeurig te meten, kunnen onderzoekers bepalen welke sterren de veelbetekenende bewegingen vertonen die, teruggetrokken, onthullen dat ze gezamenlijk op hetzelfde tijdstip en op dezelfde plaats zijn geboren. Zodra astronomen weten dat sterren in een groep verwant zijn, is het eenvoudig om hun leeftijd te berekenen op basis van gevestigde kennis van hoe sterren groeien en evolueren.
Het vinden van nieuwe bewegende groepsleden is niet eenvoudig. Om dit te doen, vertrouwen astronomen traditioneel op het analyseren van reeds bestaande lijsten van sterren in bewegende groepen, waarbij potentiële nieuwe leden worden gemarkeerd via geavanceerde wiskundige modellen. Het team achter het nieuwe project wilde iets anders en meer visceraal proberen: het gebruikte een VR-programma om rond de sterren te zoomen en een duidelijker, driedimensionaal perspectief te krijgen op hoe dingen bewegen.
“Ik dacht dat ik zou redden” [NASA’s VR scientists] weg toen ik zei dat ik de posities en snelheden van vier miljoen sterren wilde visualiseren’, zegt Kuchner. “Maar ze sloegen geen wimper!” Om deze virtuele stellaire hoorn des overvloeds te creëren, gebruikte het team gegevens van Gaia, een satelliet van het European Space Agency die de best beschikbare metingen levert voor de posities en snelheden van sterren in onze melkweg. De resulterende VR-simulatie diende ook als een soort tijdmachine – wetende hoe snel en in welke richting een ster bewoog, stelde Kuchner en collega’s in staat om zijn beweging heen en weer in de tijd te volgen.
Terwijl ze als gastonderzoeker bij NASA diende, bond hoofdonderzoeksauteur Susan Higashio een VR-headset vast om rond de miljoenen sterren van de simulatie te vliegen. Ze onderzocht waar de sterren met schijven zich bevonden ten opzichte van bekende bewegende groepen en extrapoleerde de bewegingen van de sterren voorwaarts en achterwaarts in de tijd om hun potentiële associaties te testen. “Het was zo spannend toen de vier miljoen sterren in VR verschenen, maar het voelde een beetje duizelingwekkend toen ze allemaal om me heen begonnen te wervelen”, herinnert ze zich. “Het was een erg leuke en interactieve manier om wetenschap te bedrijven.”
Higashio traceerde 10 van de puinschijven van Disk Detective terug naar hun verhuisgroepfamilies. Het team vond vervolgens de geschatte leeftijd van deze schijven, die varieerde van 18 miljoen tot 133 miljoen jaar oud. Ze waren allemaal extreem jong, vergeleken met ons eigen zonnestelsel, dat ongeveer 4,5 miljard jaar oud is. De onderzoekers identificeerden ook een geheel nieuwe bewegende groep genaamd Smethells 165, naar zijn helderste ster. “Telkens wanneer we een nieuwe bewegende groep vinden, is dat een nieuwe reeks sterren waarvan we de leeftijden nauwkeuriger kennen”, legt Kuchner uit.
De astronomen vonden ook een vreemde schijf van extreem puin rond een ster met de bijnaam J0925 die niet helemaal past in hun verwachte tijdlijn van planeetvorming. Het is veel helderder in het infrarood – wat betekent dat er meer stof in zit – dan verwacht voor een ster van zijn leeftijd. Naarmate puinschijven ouder worden, spiraliseert een deel van hun stof in de ster of wordt het weggeblazen door stellaire winden. J0925 lijkt echter net een verse nieuwe levering van heet stof te hebben gekregen, mogelijk van een recente botsing tussen twee protoplaneten. Hughes benadrukt deze ster als het meest interessante object dat in het onderzoek is ontdekt. “Extreme puinschijven zijn nog steeds een beetje mysterieus, maar ze lijken waarschijnlijk op hoe ons zonnestelsel eruit zou hebben gezien tijdens de gigantische inslag die de maan van de aarde vormde.”
Het burgerwetenschappelijke werk van Disk Detective is nog steeds aan de gang, nu geüpgraded om Gaia’s meest recente batch gegevens te gebruiken. Het team hoopt met hun unieke VR-methode nog meer leden van bewegende groepen en nieuwe schijven te identificeren. Lisa Stiller, een van de vele co-auteurs van burgerwetenschappers van het onderzoek, moedigt toekomstige vrijwilligers aan. “Aarzel niet om mee te helpen aan een burgerwetenschapsproject”, zegt ze. “Je hulp zal nodig zijn in welke vorm je ook kiest of hoeveel tijd je ervoor kiest om jezelf te wijden.”
Iedereen met een internetverbinding kan nog steeds deelnemen aan het Disk Detective-project, geen ervaring vereist. “Meer dan 30.000 burgerwetenschappers hebben bijgedragen”, zegt Kuchner. “De schijfdetectives werken zich nog steeds een weg door miljoenen duizenden WISE-afbeeldingen – we hebben nog steeds uw hulp nodig.”
.
0 Comments