Annons

Kristiaan Pelckmans visar pixelmönster från astronomiska bilder, som han vill lära datorer att tolka. 

Bild: 
Johan Marklund

Jakten efter försvunna stjärnor

Kristiaan Pelckmans och Beatriz Villarroel jagar efter bilder av stjärnhimlen som inte stämmer överens. En mörk fläck på ett av fotografierna kan betyda jackpott. Varför har ljuset plötsligt försvunnit? Svaret kan gömma okänd fysik – eller spår efter utomjordingar.

Författare: 

Publicerad:

2018-06-21

Många astronomer har studerat stjärnor som varierar i ljusstyrka. Men hittills har ingen gjort en riktigt grundlig sökning efter stjärnor som först lyser ganska stadigt och sedan inte alls går att se. Genom att studera sådana fenomen ser astronomen Beatriz Villarroel stora möjligheter att kunna upptäcka något helt nytt.

– Det kan vara vad som helst – från okänd fysik till utomjordingar, säger hon.

Beatriz Villarroel arbetar vid Uppsala universitets centrum för tillämpad matematik. Tillsammans med Kristiaan Pelckmans, som är forskare i informationsteknologi, har hon dragit i gång ett nytt och annorlunda forskningsprojekt. De tänker gå igenom enorma mängder stjärnobservationer som samlats under nästan ett århundrade, med målet att hitta just stjärnor som tycks ha försvunnit.

Projektet kallas Vasco (en akronym för Vanishing & appearing sources during a century of observations) och är ett exempel på hur astronomin har förändrats tack vare tillgången till enorma datamängder och nya metoder för att bearbeta dem. Kristiaan Pelckmans är expert på maskininlärning – ett sätt att träna datorer att utföra avancerade uppgifter. Nu ska datorn lära sig att tolka astronomiska bilder.

Att de gamla metoderna inte duger blev tydligt när Beatriz Villaroel för några år sedan gjorde sin förstudie inför Vasco-projektet. Hon använde då ett verktyg som automatiskt gick igenom en katalog av himmelsobjekt som skapades vid Palomarobservatoriet 1950–66. Hon valde ut avlägsna objekt – som inte flyttar sig över himlen – och som har observerats minst två gånger. På så vis undvek hon närbelägna kometer och asteroider. Kvar blev stjärnor och galaxer. Sedan gjorde hon en automatisk sökning för att se om motsvarande objekt också hade hittats inom kartläggningsprojektet Sloan digital sky survey (SDSS) på 2000-talet. Men det verktyg som hon då hade tillgång till räckte inte ända fram.

Den automatiska sökningen hittade ungefär 300 000 fall där den nya katalogen från SDSS saknade en stjärna som hade funnits med i den tidigare genomgången. Frågan var om det berodde på att stjärnan hade försvunnit eller på något annat. För att avgöra det måste Beatriz Villarroel gå igenom samtliga 300 000 bilder för hand. Hon hade hjälp av två studenter, men det var ändå ett drygt arbete.

På sin datorskärm kunde hon visa tjugofem rutor i taget, var och en med en bild av en liten del av stjärnhimlen. Varje bild var centrerad till en plats där det enligt den äldre katalogen från Palomar skulle finnas en stjärna. De här tjugofem bilderna tittade hon snabbt igenom. I många fall fanns det faktiskt en ljus liten prick i mitten, som den automatiska sökningen hade missat, eftersom koordinaterna inte alltid överensstämde exakt mellan de två katalogerna. Ibland gick det dock inte att se något alls, eftersom det saknades en bit av bilden eller för att delar av bilden täcktes av ”strålar” som uppstår i själva teleskopet kring ljusstarka objekt. Alla de här fallen kunde hon sortera bort och klicka förbi, för att sedan klicka fram nästa omgång bilder.

Det blev klick efter klick, under många sena kvällar.

Efter all möda hade Beatriz Villarroel och de båda studenterna rensat bort alla bilder utom en. Det var liten stjärna vid kanten av stjärnbilden Björnvaktaren, som hade dokumenterats på 1950-talet men som nu inte syntes alls. Den mödosamma förstudien hade resulterat i något att visa upp och undersöka vidare.

Men hade stjärnan alltså försvunnit? Beatriz Villarroel är ännu inte riktigt beredd att säga att det faktiskt är så.

– Det är en kandidat till en försvunnen stjärna. Vi kan varken förkasta den eller helt tro på den. Vi måste titta igen, för att se hur det faktiskt ser ut på den här platsen, säger hon.

Risken finns till exempel att de gamla observationerna från 1950-talet hade påverkats av någon sorts störning eller starkt brus. Sannolikheten är liten, men inte noll.

Men om det verkligen är en stjärna som har försvunnit kan man spekulera över vad som har hänt. Det finns många typer av föränderliga objekt i världsrymden, till exempel supernovor som hastigt flammar upp för att sedan dö bort igen, och pulsarer som uppför sig som blinkande fyrar. Det finns par av stjärnor som kretsar kring varandra, där den ena parten kannibalistiskt suger åt sig material från den andra, som då kan flamma upp med oregelbundna intervall och sedan blekna igen. Men stjärnor som lyser stadigt och sedan helt försvinner är en annan sak.

Beatriz Villarroel känner bara till ett sådant fenomen som har en teoretisk förklaring: en stjärna som dör och faller samman till ett svart hål utan att först explodera som supernova.

– I Vintergatan borde detta hända högst en gång på 250 till 300 år. Men om vi skulle hitta en sådan misslyckad supernova i vår egen galax skulle det ge en unik möjlighet att se hela förloppet.

Det stora europeiska kartläggningsprojektet Gaia (se också notis om den nya galaxkartan från Gaia på sidan 21) söker ständigt igenom hela stjärnhimlen och mäter stjärnornas position och ljusstyrka. Det finns också gott om mätningar från systemet Pan-Starrs på Hawaii. Om en stjärna skulle försvinna i Vintergatan skulle det finnas massor av bilder lagrade från de här projekten, som astronomerna skulle kunna gå tillbaka till. På så vis skulle de i efterhand kunna följa vad som hänt.

IT-forskaren Kristiaan Pelckmans deltar i Vasco-projektet, som handlar om att söka efter okända fenomen.

Bild: 
Johan Marklund

Men ljuspunkterna i de bilder som Beatriz Villarroel har undersökt är inte enbart stjärnor i vår egen galax. Några av de prickar som ser ut som stjärnor ligger betydligt längre bort och är i själva verket andra galaxer.

En kvasar är en galax med en extremt ljusstark kärna som syns på mycket längre avstånd än vanliga galaxer. I kvasarens centrum finns ett stort svart hål som drar till sig materia. Materian faller in mot hålet i en våldsam virvel, och där uppstår kraftig strålning. Det finns exempel på kvasarer vars ljusstyrka har minskat dramatiskt på några decennier. En sådan kvasar skulle kunna bli så ljussvag att den inte längre kan registreras med de teleskop som används för att kartlägga himlen. Den skulle i så fall också se ut som en försvunnen stjärna.

– Att hitta en sådan kvasar vore också kul, säger Beatriz Villarroel.

Men så finns hoppet om att upptäcka något helt nytt, något okänt. Kanske utomjordingar. Det är en fantasieggande möjlighet att det skulle kunna finnas varelser som har tillräckligt avancerad teknik för att flytta, utplåna eller dölja en hel stjärna.

– All tillräckligt avancerad teknologi är omöjlig att särskilja från magi, säger Beatriz Villarroel och citerar science fiction-författaren Arthur C. Clarke.

Stjärnan kan till exempel kapslas in av en artificiell struktur – en svärm av maskiner som fångar in och utnyttjar stjärnans energi. En sådan struktur brukar kallas dysonsfär, efter fysikern Freeman Dyson som började spekulera om detta redan 1960. En dysonsfär skulle inte bli helt osynlig, för den skulle läcka spillvärme i form av infraröd strålning. Men om den spillvärmen strålas ut enbart i vissa riktningar skulle strukturen ändå bli i stort sett omöjlig att upptäcka från alla andra håll.

Några år efter att Freeman Dysons idé först kom i omlopp presenterade den sovjetiske astronomen Nikolaj Kardasjev en skala för att klassificera civilisationers teknologiska nivå. Han började med att fråga sig vad som skulle behövas för att kunna skicka signaler med en användbar bandbredd till mottagare inom en viss radie. Den förmågan beror i grund och botten på hur mycket energi som finns att tillgå, för detta sätter gränsen för mängden energi som kan strålas ut i form av budskap. En civilisation som kan kontrollera all den energi som finns tillgänglig på sin planet klassade Kardasjev som typ I, en som utnyttjar hela sin stjärna är typ II och en civilisation som använder hela sin galax är typ III.

Dysonsfärer, eller ”utomjordiska megastrukturer”, kom på tal 2015 i samband med en märklig stjärna vars ljusstyrka avtog på ett sätt som var svårt att förklara. Stjärnan kallas ofta för Tabbys stjärna, efter Tabetha Boyajian som leder forskarlaget som arbetar med det här mysteriet (se F&F 7/2016). Nu är det nästan ingen som tror att utomjordingar har ett finger med i spelet när det gäller just den här stjärnan – snarare talas det om kometer eller dammoln. Men resonemangen om megastrukturer fick ändå stor spridning, kanske för att de kittlar fantasin hos många.

Efter datoranalysen föll ungefär 300 000 sådana här bilder ut, där en stjärna skulle kunna saknas. Dessa bilder granskade Beatriz Villarroel och två av hennes studenter med egna ögon. En av dem (mitten) gav träff.

Hur det än är med Tabbys stjärna så finns det andra astronomer som söker efter tecken på avancerade civilisationer. När Beatriz Villarroel började söka efter försvinnande stjärnor gjorde hon det delvis inom ett projekt som heter Hephaistos, som leds av astronomen Erik Zackrisson vid Uppsala universitet.

Enligt Erik Zackrisson finns det i stora drag två sätt att leta efter liv utanför jorden. Det ena handlar om att söka efter tecken på mikroskopiskt liv – bakterier eller liknande mikroorganismer – som kan ge sig till känna genom att påverka sin omgivning. De kan till exempel utsöndra syre i en planetatmosfär, som cyanobakterier gör här på jorden. Det andra sättet är att spana efter tecken på högteknologiska civilisationer och deras astronomiska ingenjörsprojekt.

Det senare ger en enormt mycket större sökradie. Att undersöka atmosfärens sammansättning på avlägsna planeter är fortfarande oerhört svårt. Spaningar efter en civilisation av Kardasjevs typ III kan däremot sträckas ut till uppemot en miljard ljusårs avstånd.

Somliga ifrågasätter värdet i detta. Men Erik Zackrisson tycker att det är något mänskligheten måste göra:

– Det är inte rimligt för en civilisation av forskare och konstnärer att nöja sig med att leta efter bakterier.

I projektets första studie sökte Erik Zackrisson och hans kolleger efter galaxer som bär spår av påverkan av civilisationer som närmar sig typ III. Resultatet blev att sådana civilisationer kan finnas i högst 0,3 procent av alla galaxer i vårt lokala universum, inom en radie på en miljard ljusår. Noggrannare studier kan sätta ännu striktare gränser – eller kanske hitta något.

Nu spanar Erik Zackrisson på närmare håll, i vår egen galax. Med hjälp av avståndsmätningar från kartläggningsprojektet Gaia söker han efter stjärnor som delvis döljs av artificiella strukturer. En sådan partiell dysonsfär skulle avslöjas genom att stjärnan den omger ser mycket ljussvagare ut än den borde, givet att den befinner sig på det uppmätta avståndet från jorden.

Medan projekt Hephaistos fortsätter att leta efter dysonsfärer har Beatriz Villarroel drivit sin egen sökning vidare. Vasco-projektet ska inte utgå från någon speciell idé eller modell, utan göra så få antaganden som möjligt – eller som hennes kollega Kristiaan Pelckmans uttrycker det:

– Vi vet inte vad vi letar efter. Vi tittar på vad som händer i utkanten av vår kunskap, på det som ännu inte har blivit förklarat.

Det är ungefär två år sedan Beatriz Villarroel publicerade sin preliminära studie, där hon presenterar bilden med den möjligen försvunna stjärnan. Studien var tillräckligt spännande för att andra forskare skulle börja intressera sig för en uppföljning.

Men då behövs ett nytt sätt att arbeta. När Beatriz Villarroel gick igenom sina 300 000 bilder för hand var det bara en procent av den tillgängliga datamängden – och ingen människa orkar titta på flera miljoner bilder.

Människor är i och för sig bra på att känna igen mönster och tolka vad de ser. Så länge Beatriz Villaroel kunde koncentrera sig var det inte svårt för henne att genast skilja felaktiga bilder från de intressanta fallen. Men ingen klarar av att hålla koncentrationen uppe under tillräckligt lång tid. Det klarar däremot ett traditionellt datorprogram, men det är inte så smart. Det är därför Kristiaan Pelckmans vill bygga upp en ny maskin som ska lära sig att känna igen vad som är viktigt i de astronomiska bilderna.

– Det är inte svårt att konstruera en maskin som kan göra en korrekt bedömning för det mesta. Det svåra är att göra en som alltid har rätt, säger han.

För att lösa det ska hans smarta maskin samverka med människor – och fungera som ett beslutsstöd.

Astronomin håller på att förändras med datorernas hjälp. Enorma datamängder kan sökas igenom för att vaska fram korn av kunskap som annars hade varit omöjliga att komma åt.

Bild: 
Johan Marklund

Han bygger upp ett gränssnitt där medhjälparna kommer att få se bilder av det slag som Beatriz Villarroel och hennes studenter tittade på. De får tolka vad de ser och ge sin förklaring till datorn – om det är en störning i bilden eller om en av observationerna hamnat lite snett och fått fel koordinater och så vidare.

– Bedömningen kan vara baserad på astronomisk kunskap, intuition eller bara sunt förnuft, förklarar Kristiaan Pelckmans.

Förklaringarna matas in i datorn med ett förenklat språk som består av bilder och ikoner. Maskinen ska på så vis tränas i att klassificera bilder på samma sätt som människor gör. Så småningom blir datorn allt bättre på att bedöma och sortera bilderna och kan avlasta de mänskliga medhjälparna.

Vasco är ett speciellt projekt också på så vis att det ännu inte har några forskningsanslag. Beatriz Villarroel, Kristiaan Pelckmans och deras kolleger gör detta drivna av nyfikenhet och eget intresse. Men för att sortera bilder och träna maskinen kommer de att behöva hjälp av ännu fler. Mot slutet av sommaren kommer Vasco därför att börja kontakta människor som kan tänka sig att bidra med sin tid, i första hand amatörastronomer.

Frivilliga medborgarforskare har bidragit till ett antal andra astronomiska projekt tidigare. Ett av de mest kända exemplen är Galaxy zoo, där vem som helst kan ge sig i kast med att klassificera galaxer i astronomiska bilder. Men Vasco kommer att vara lite för komplicerat för att öppnas för den breda allmänheten, åtminstone till att börja med. Det är därför Kristiaan Pelckmans tänker börja med att söka upp specialintresserade personer.

Andra delar av projektet går också framåt. Beatriz Villarroel och Kristiaan Pelckmans har precis kommit tillbaka från ett möte med Breakthrough initiatives. Det är ett forskningsprogram som grundades 2015 av det Amerikabaserade miljardärparet Yuri och Julia Milner, för att söka efter utomjordisk intelligens. Nu samarbetar Vasco med dem. I sommar ska de rikta instrument mot det område i Björnvaktarens stjärnbild där Beatriz Villarroel upptäckte det som kan vara en försvunnen stjärna.

Det kanske inte var utomjordingar den här gången heller. Men Vasco-projektet går vidare och erbjuder astronomin ett nytt verktyg. Vad forskarna än hittar är det säkert något spännande.

Du har just läst en artikel från tidskriften Forskning & Framsteg. Prenumerera här.

Kommentera:

Dela artikeln:

TIDNINGEN FÖR DIG SOM ÄR NYFIKEN PÅ ALLVAR
10 nummer 779 kr
2 nummer 99 kr
Du vet väl att du kan läsa Forskning & Framsteg i din läsplatta? Ladda ned appen från App Store eller Google Play. (Läsplatteutgåvan ingår i alla prenumerationer.)

Lägg till kommentar