دسته بندي کهکشان ها به کمک خرد جمعي
ترجمه: شادي حامدي آزاد
نظرخواهي از کارشناسان ممکن است خطرناک باشد. شايد کارشناسان در حوزه ي کاري خود بيش از هر کس ديگري بدانند اما هر چه باشد آن ها هم انسان اند. اگر فقط يک نظر را بشنويد از کجا مي فهميد که آن نظر درست است ؟ به همين سبب است که اخترشناسان پژوهشگر به تازگي براي يافتن پاسخ برخي پرسش هاي مهم اختر فيزيک به خرد جمعي روي آورده اند.
شايد درست نباشد که به طور تصادفي افراد را از خيابان به بيمارستان ببريم تا عمل قلب باز انجام بدهند ! اما در برخي موارد توافق جمعي از مردم عادي بر سر مسئله اي معتبرتر از نظر فقط يک کارشناس است. مثلاً گلدان شيشه بزرگي را پر از تيله کنيد و از فردي داراي مدرک دکتري مهندسي بخواهيد که تعداد تيله هاي درون گلدان را تخمين بزند. اين مهندس احتمالاً مقداري محاسبه انجام مي دهد و با توجه به تجربه اش عددي را به شما مي گويد که شايد هم خيلي با جواب اصلي فاصله داشته باشد. اما اگر از گروه بزرگي از مردم بخواهيد تعداد تيله ها را حدس بزنند، و سپس ميانگين اعداد به دست آمده را بگيريد، احتمالاً اين عدد به پاسخ درست نزديک تر است.
اخترشناسي در واقع پر است از پرسش هايي که پاسخ هاي گروه بزرگي از مردم به آن ها مي تواند بسيار راهگشا باشد. يکي از چالش هاي مهم در اين علم طبقه بندي کهکشان هاي بزرگ در دسته هاي اصلي – يعني مارپيچي و بيضوي – و سپس ريزتر کردن اين دسته بندي هاست. از زماني که ادوين هابل نخستين بار کهکشان ها را در اين دو دسته تقسيم بندي کرد، اخترشناسان در اين فکرند که اين دو دسته چه ارتباطي با هم دارند ؟ آيا يک گونه از کهکشان ها به گونه ي ديگر تبديل مي شود ؟ آيا کهکشان ها طي دوران تحول شان بين اين دو دسته حرکت رفت و برگشتي دارند، يا اين مسير يک طرفه است ؟ در بيشتر سال هاي قرن بيستم اخترشناسان کهکشان ها را با چشم دسته بندي کرده اند؛ نخست به دسته هاي مارپيچي و بيضوي، و سپس به دسته هاي ظرف تري که هنوز محل بحث است.
با ظهور طرح هاي پويشي بزرگ مقياس عالم، مانند پوشش ديجيتالي آسمان (اسلوآن - SDSS) ، اخترشناسان ناگهان با تعداد بسيار زيادي کهکشان رو به رو شدند که دسته بندي همه شان با چشم ناممکن به نظر مي آمد. آن ها شروع به ساختن الگوريتم هاي کامپيوتري جديد کردند تا کهکشان ها را دسته بندي کنند اما کامپيوتر هرگز نمي تواند به طور کامل نقش مغز تحليل گر انسان را بازي کند و ميان شکل هاي بسيار مشابه کهکشان ها همواره به درستي تمايز قايل شود. حتي پيچيده ترين برنامه ي کامپيوتري، که سعي مي کند شيوه ي عملکرد مغز انسان را تقليد کند، اغلب پيش مي آيد که مجموعه اي از بازوهاي مارپيچي کهکشاني را تشخيص ندهد و يک کهکشان مارپيچي زيبا را در دسته ي بيضوي ها جاي بدهد.
اين تصوير، گروه کهکشان هاي بر هم کنشي 273 Arp را نشان مي دهد که نخستين بار اخترشناس آمريکايي. هالتون آرپ موفق به کشف آن ها شد. کهکشان بزرگ تر به علت نيروهاي کشندي کهکشان همدم خود، به شکل گل رز درآمده است. اين گروه کهکشاني در فاصله ي 300 ميليون سال نوري از ما، در صورت فلکي آندرومدا قرار گرفته است.
قدرت مغز انسان
به اين ترتيب بود که فکر تشکيل پروژه ي گلکسي زو (Galaxy zoo) در بهار 1386 /2007 در آکسفورد انگلستان شکل گرفت. در آن زمان من (کوين شاوينسکي) و کريس لينتات (از آسمان نماي ادلر و دانشگاه آکسفورد) مشغول بررسي راه هاي ممکن براي بهتر انجام دادن فرايند دسته بندي تعداد بسيار زيادي کهکشان با چشم بوديم. ما از موفقيت پروژه ي «استارداست در خانه» (stardust@home) خيلي شگفت زده بوديم؛ آن ها به کمک اينترنت از افراد عادي در سرتاسر جهان خواسته بودند تا در آشکارسازي غبار دنباله داري در ميان داده هاي فضا پيماي استارداست ناسا به آن ها کمک کنند. ما فکر کرديم اگر مردم اين قدر مشتاق اند که به دنبال ذرات غبار بگردند، شايد بتوانيم تشويق شان کنيم که تصاوير زيبايي از کهکشان ها را دسته بندي کنند.
تلسکوپ روبوتيک 5 /2متري طرح پوشش ديجيتالي آسمان (اسلوآن) در نيومکزيکو سال هاست که آسمان را مي پويد و بر ما روشن بود که اگر بتوانيم با چشم حدود يک ميليون کهکشاني را که اين تلسکوپ رصد کرده است طبقه بندي کنيم، به نتايج حيرت آوري درباره ي تحول کهکشان ها دست مي يابيم. من پس از دسته بندي 50 هزار کهکشان اين طرح دريافتم که طبقه بندي يک ميليون کهکشان کمک بسياري لازم دارد. روي آوردن به اينترنت به نظر راهي منطقي مي رسيد؛ پس من و کريس اميدوار شديم که بتوانيم گروهي عظيم از مردم را مشتاق اين کار کنيم تا دسته بندي يک ميليون کهکشان در مدت چند سال به پايان برسد.
کارها به سرعت پيش رفت و در روز 21 تير 1386 /12 جولاي 2007 وب سايت galaxyzoo.org آغاز به کار کرد. آغاز اين پروژه مثل بمب در اينترنت صدا کرد. اشتياق جهاني به مشارکت در اين پروژه چنان بالا بود که سرورهاي آزمايشگاه فرمي (fermilab) که عکس هاي طرح اسلوآن را در اختيار مي گذاشتند براي سرپا ماندن تقلا مي کردند و سرانجام هم سقوط کردند ! وب سايت پروژه فقط چند ساعت پس از آغاز به کار مرد. خوشبختانه همکاران ما از دانشگاه جانز هاپکينز عمليات نجات سريعي را انجام دادند و DSS sky server را بر دستگاه هاي ديگري شبيه سازي کردند تا بتواند جوابگوي اين تقاضاي فراوان باشد.
وقتي نخستين بار هدف هاي خودمان را براي گلکسي زو را بررسي و جمع بندي مي کرديم، اميدوار بوديم که هر کدام از يک ميليون کهکشان طرح اسلوآن يک بار مشاهده و دسته بندي شود و تخمين مي زديم که کل کار چيزي حدود پنج سال طول بکشد اما خيلي اشتباه مي کرديم. در مدت چند ساعت، شهروند – دانشمندان همه ي يک ميليون کهکشان را دسته بندي کردند و سيل کليک ها ادامه داشت. فقط يک سال بعد از آغاز پروژه، زماني که به اين نتيجه رسيديم که کليک هاي بيشتر ديگر نتايج پروژه را بهبود نمي بخشد، هر کهکشان بيش از 70 بار مشاهده و دسته بندي شده بود.
اين تصاوير از طرح پويش ديجيتالي آسمان (اسلوآن) کهکشان بيضوي 87M (راست) و کهکشان مارپيچي 101M (چپ) را نشان مي دهند.
کهکشان101Mبا نور آبي غالب از ستاره هاي جوان به روشني مي درخشد. در عوض، کهکشان ها 87M ميلياردها سال است که ديگر فعاليت قوي ستاره سازي ندارد و بنابراين رنگش در تسخير نور قرمز تر ستاره هاي پير است.
کشف ها
وقتي به اين نتيجه رسيديم که گلکسي زو به هدف هاي خود رسيده است، آن قدر کليک براي هر کهکشان دريافت کرده بوديم که براي هر کدام رأي تقريباً مشخص (پروژه مي گويد که اين کهکشان مارپيچي است !) و نيز محکي براي تعيين کردن ميزان اطمينان به آن نتيجه (مثلاً فقط 55 نفر از 70 شهروند – دانشمند بر اين نظرند که اين کهکشان مارپيچي است )داشتيم. هدف اصلي ما دسته بندي کهکشان ها فقط بر اساس شکل شان و بنابراين يافتن کهکشان هاي عجيبي بود که شايد به ما درباره ي تحول کهکشان ها بيشترين نکات را بياموزند. خيلي زود تعداد بسياري کهکشان يافتيم که در دسته هاي سنتي بيضوي هاي سرخ غير پويا و مارپيچي هاي آبي ستاره ساز قرار نمي گرفتند. وقتي کهکشان هاي مارپيچي با هم برخورد مي کنند، اين بر هم کنش ممکن است قرص دو کهکشان را نابود کند و کهکشاني بيضوي بسازد که در آن همه ي گاز موجود، در فرايند ستازه سازي شديد تا انتها مصرف مي شود و کهکشان بيضوي «سرخ و مرده اي » مي سازد. از سوي ديگر، کهکشان ها ممکن است به آرامي ذخيره ي گاز خود را مصرف کنند يا با وارد شدن به خوشه اي از کهکشان ها اين ذخيره را از دست بدهند که اين به تبديلي آرام تر حين ناپديد شدن بازوهاي مارپيچي منجر مي شود.
تحليل کهکشان ها
کهکشان هاي بيضوي آبي، که در حال حاضر گاه با آهنگي حيرت آور مشغول ستاره سازي هستند، به سرعت در داده هاي پروژه گلکسي زو خود را نشان دادند و ممکن است 5 تا 10 درصد همه ي کهکشان هاي بيضوي را، که اغلب شان کم گازند و ديگر ستاره اي نمي سازند، تشکيل بدهند. اما برخلاف اغلب کهکشان هاي بيضوي که بسيار بزرگ تر از راه شيري ما هستند، هيچ يک از بيضوي هاي آبي کهکشان هاي پرجرمي نيستند. از آنجا که پرجرم ترين کهکشان هاي بيضوي در عالم آغازين شکل گرفتند، شايد اين بيضوي هاي آبي کم جرم تر هم نمونه هاي کوچک شده ي همان ها باشند که طي فرآيندهاي سازنده ي عموزاده هاي پر جرم شان شکل گرفته اند. در بسياري از اين کهکشان هاي بيضوي نشانه هايي از دُم هاي کشندي ديده مي شود که شايد شواهدي از يکي دو فرايند ادغام بزرگ در گذشته ي نه چندان دور باشند. به نظر مي رسد که فرايندهاي ستاره سازي در آن ها کاملاً به سرعت متوقف شده است.
به همين ترتيب، کهکشان هاي مارپيچي سرخ رنگ هم فراوان اند. در حالي که بسياري از مارپيچي ها مقدار عظيمي گاز براي ستاره سازي دارند، اين کهکشان هاي مارپيچي دوره اي نسبتاً طولاني و آهسته از کاهش ستاره سازي را طي کرده اند. اين کهکشان ها با حرکت از محيط هاي کم تراکم به محيط هاي پرتراکم تري مانند خوشه هاي کهکشاني به آرامي، احتمالاً دست کم طي حدود يک ميليارد سال، از فرايندهاي ستاره سازي پويا به آهنگ هاي هر چه آهسته تري در ستاره سازي تغيير کرده اند. به نظر مي رسد رويدادهاي چشمگيري مانند برخوردهاي کهکشاني در کار نبوده اند.
دسته بندي هاي کاربران همچنين به آشکار شدن نتايجي حيرت آور درباره ي کهکشان هايي که سياه چاله ي ابر پرجرم مرکزي خود را تغذيه مي کنند و آن هايي که اين کار را نمي کنند، انجاميد. ما پرسشي ساده پرسيديم: کدام نوع از کهکشان ها سياه چاله ي مرکزي خود را تغذيه مي کنند، و آيا انرژي گسيل شده از سياه چاله ي تغذيه شده بر گاز و غبار کهکشان ميزبان اثري دارد ؟
معلوم شد که پاسخ به اين پرسش بستگي به اين دارد که کهکشان بيضوي است يا مارپيچي، بيضوي ها زماني سياه چاله ي مرکزي خود را تغذيه مي کنند که از مرحله ي ستاره سازي وارد مرحله ي آرامش مي شوند و اين نشان مي دهد که شايد سياه چاله نقشي در اين گذار ايفا مي کند. در عوض، مارپيچي ها به طور تصادفي سياه چاله ي خود را تغذيه مي کنند و انرژي گسيل شده از سياه چاله شان در تغيير مسير تحولي شان نقش کمي دارد.
اما وقتي پرسيديم که کدام نوع از کهکشان ها بيشتر سياه چاله ي مرکزي خود را تغذيه مي کنند، بيشتر حيرت زده شديم. معلوم شد که کهکشان هاي مارپيچي نسبتاً پرجرم با آهنگ ضعيف ستاره سازي – يعني کهکشان هايي مانند راه شيري خودمان – بيش از ديگران اين کار را مي کنند. اين نتايج با رصدهاي اخير تلسکوپ هاي انرژي هاي بالا مانند اينتگرال(INTEGRAL) و سوزاو (SUZAKU) همخواني دارند؛ اين رصدها هم نشان مي دهد که سياه چاله ي مرکزي راه شيري در گذشته ي نه چندان دور بسيار فعال تر بوده است.
علم شهروندي
يکي از پروژه ها که همه ي اين عناصر را کنار هم جمع کرد، جست و جو به دنبال «نخود کهکشان ها» بود. شهروند – دانشمند پروژه شروع به يافتن کهکشان هاي کوچک و گرد و سبز رنگي کرده بود که همه به طور طبيعي آن ها را «نخود» مي ناميدند. آن ها «گروه نخودها» را تشکيل دادند تا اين نخودهاي عجيب را بيشتر بررسي کنند. در بررسي هاي دقيق تر کارولين کاردامون، دانشجوي فارغ التحصيل دانشگاه ييل، به همراه شهروند – دانشمندان کشف کرد که اين نخودها در واقع کهکشان هاي فشرده اي مشغول فرايندهاي بسيار شديد ستاره سازي هستند. آن ها با همه ي کهکشان هاي موجود در همسايگي کيهاني ما بسيار متفاوت اند. گازي که در اين کهکشان ها به ستاره تبديل مي شود هنوز به عناصر سنگين تر حاصل از دوره هاي پيشين ستاره سازي آلوده نشده است، بنابراين با قدرت اکسيژن دوباره – يونيده گسيل مي کند و به رنگ سبز واضحي مي درخشد. از آنجا که اين «نخودها» شباهت بي حدي به کهکشان هايي در عالم نخستين دارند شهروند – دانشمندان ما در واقع فسيل هاي زنده کشف کرده اند.
مزيت بزرگ انسان نسبت به الگوريتم کامپيوتري توانايي مغز در شناسايي اجسام نامعمول يا جديد است. بنابراين وقتي يکي از شهروند – دانشمندان به نام هاني فن آرکل، معلمي هلندي، تصويري از کهکشان 2497 ic ديد و از او خواستيم تا آن را دسته بندي کند، او در عوض نسبت به ماهيت حبابي آبي رنگ (و در بعضي از تصاوير سبز رنگ) در نزديکي کهکشان کنجکاو شد. سال ها بود که در تصاوير در دسترس از اين کهکشان اين حباب هم ديده مي شد اما برنامه هاي کامپيوتري پيچيده آن را شناسايي نکرده بودند. او به سرعت لينکي از اين عکس را به فروم پروژه فرستاد و اعضاي فروم هم خيلي زود نام «شي ء هاني» را براي آن انتخاب کردند.
وقتي ما از وجود اين شي ء عجيب آگاه شديم، تصميم گرفتيم آن را بررسي کنيم و تا جايي که مي توانيم اطلاعات درباره ي آن روي وبلاگ عمومي گروه منتشر کنيم. داده ها از تلسکوپ هاي گوناگون مي رسيد و ما فقط آن ها را روي وبلاک منتشر مي کرديم. معلوم شد که شي ء هاني ابر عظيمي از گاز است که به سبب انرژي گرفتن از فوران يک اختروش با چنين نوري مي درخشد.
علم شهروندي بيش از فقط کمک خواستن از مردم براي انجام دادن پروژه هاي علمي است؛ اين کار همچنين وارد کردن مردم سرتاسر جهان به پژوهش و تشويق کردن آن ها به پرداختن به علايق شان است. در فروم پروژه ي گلکسي زو، افرادي با علاقه هاي مشترک گرد هم جمع مي شدند تا پروژه ها و بحث هايي را با هم پيش ببرند. تعداد بسياري از شهروند – دانشمندان سرانجام به اين نتيجه رسيدند که علايق شان را جدي تر دنبال کنند و حتي به ادامه تحصيل بپردازند.
در انتهاي پروژه، شهروند – دانشمندان به ما گفتند که آن چه واقعاً به دنبالش هستند داشتن فرصتي براي دسته بندي کهکشان ها در دسته هاي ظريف تر است، نه فقط طبقه بندي آن ها به دو گروه اصلي. به اين ترتيب، گلکسي زو 2 شکل گرفت. در اين پروژه ي جديد ما از کاربران مجموعه اي پرسش درباره ي هر کهکشان پرسيديم تا ويژگي هايي از قبيل تعداد بازوها و ميله ها در کهکشان هاي مارپيچي، يا وجود نوارهاي غباري نشان دهنده ي ستاره سازي بر اثر فرايند ادغام کهکشاني را بررسي کنيم. کارن مسترز (از دانشگاه پورتزماوث انگلستان) به کمک نتايجي گلکسي زو 2 نشان داد که ميله در کهکشان هاي مارپيچي سرخ رنگ فراوان تر است. هنوز مشخص نيست که آيا وجود ميله موجب سرخ رنگ شدن اين مارپيچي ها مي شود يا اين که ميله در نتيجه ي کاهش آهنگ ستاره سازي پديد مي آيد. ما که از تعداد بسيار داوطلبان شرکت در پروژه هاي گلکسي زو متحير شده بوديم به اين فکر افتاديم که اصلاً چرا بايد اين همه آدم در سرتاسر دنيا بخواهند وقت شان را در چنين پروژه اي بگذرانند. براي يافتن پاسخ اين پرسش براي کاربران مان پرسش نامه اي فرستاديم. پاسخ اين بود: آن را در اين پروژه همکاري کردند چون مي خواستند مشارکتي فعال در کاري پژوهشي داشته باشند؛ آن ها مي خواستند در يک پروژه ي علمي واقعي سهمي داشته باشند.
آينده
شيء هاني
هاني فن آرکل در يکي از تصاوير طرح اسلوآن(عکس چپ) متوجه وجود حباب آبي رنگ عجيبي شد. در عکس هاي بعدي که با تلسکوپ فضايي هابل گرفته شد(عکس راست) جزئيات بيشتري از اين شي ء مرموز ديده شد و البته اين بار حباب سبز بود. بررسي هاي دقيق تر با کمک تلسکوپ هابل و ديگر تجهيزات توضيحي منطقي براي اين شي ء ارايه کرد: اين شيء ابري گازي است که به سبب انرژي دريافتي از هسته ي فعال کهکشان نزديک 2497 ic(بالاي ابر/راست ابر) مي درخشد. اين هسته ي فعال اخيراً خاموش شده است اما حباب گازي همچون پژواکي از نور در فضا هنوز مي درخشد. شهروند- دانشمندان ديگري هم از آن زمان چنين اشيايي را در نزديکي ديگر کهکشان ها يافته اند.
سيل داده هاي در دهه ي آينده يکي از چالش هاي بزرگ اخترشناسي خواهد بود. اخترشناسان حرفه اي مجبورند مديريت حرفه اي پايگاه هاي داده را هم انجام بدهند و ابزارهاي آماري پيچيده اي براي مديريت داده هاي فراوان تجهيزاتي مانند تلسکوپ بزرگ پويشي سينوپتيک (LssT ) - که قرار است از محل خود در شيلي هرسه شب يک بار کل آسمان را عکاسي کند (نجوم، شماره ي 211، ص 21) -طراحي کنند. دانشمندان حرفه اي، براي استفاده ي بهينه از سيل داده ها، مجبورند که دست نياز را به سوي شهروند – دانشمندان دراز کند.
به نظر من همين پروژه ها موجب مي شوند افراد بسيار بيشتري در دنيا پي ببرند که نجوم سرگرمي مورد علاقه شان است و همچنين با علم به طور کلي آشنا شوند. سرانجام اين که در آينده شهروند – دانشمندان بايد بخشي جدا نشدني از فرايندهاي علمي هر يک از ابزارها و تجهيزات بزرگ، نه تنها در اخترشناسي بلکه در همه ي حوزه هاي ديگر، باشند.
برگرفته از sky&telescope,November 2011
منبع: نشريه نجوم، شماره 212.
