Stardust@Home

Putování sondy Stardust

Americká kosmická sonda Stardust za téměř 168 miliónů dolarů odstartovala pomocí nosné rakety Delta 2 z kosmodromu Cape Canaveral 7.2. 1999. Téměř po dvou letech (15.1. 2001) provedla průletem kolem Země ve vzdálenosti 6.012km gravitační manévr, který byl nutný ke změně parametrů dráhy sondy pro její další let.

Start rakety Delta II 7.2.1999.

Dne 2. ledna 2004 ve 20:44 SEČ prolétla sonda ve vzdálenosti 240 km kolem jádra komety Wild 2 rychlostí 6,1 km/s (tj. 21.960 km/h) a pořídila několik kvalitních snímků, které vyslala na Zem. Průměr kometárního jádra se odhaduje na 5,4 km. Radiový signál potřeboval k překonání vzdálenosti 389 mil. km mezi kometou a Zemí 22 minut.

Jádro komety Wild 2

Hlavním cílem mise Stardust však bylo odebrání vzorků kometárního materiálu z komety Wild 2, kterou 6. ledna 1978 objevil astronom prof. Paul Wild (Astronomical Institute, Bern, Švýcarsko). V té době se nacházela ve vzdálenosti 181 mil. km od Země. Původně kometa obíhala kolem Slunce v prostoru mezi drahami planet Jupiter a Uran. Dne 10. září 1974 prolétla kolem Jupiteru ve vzdálenosti 897.500 km a ten svým gravitačním polem dráhu komety změnil a nasměroval ji do vnitřních oblastí sluneční soustavy. Nyní se ke Slunci přibližuje o něco více než planeta Mars a vzdaluje se těsně za dráhu Jupitera. Jeden oběh kolem Slunce trvá 6,39 roku.

Snímky jádra komety Wild 2 při nejtěsnějším průletu sondy

Před vstupem do zemské atmosféry se návratové pouzdro o hmotnosti asi 50 kg oddělilo od vlastní kosmické sondy Stardust (15.1.2006). Do atmosféry pouzdro vlétlo nad Tichým oceánem ve výšce 125 km rychlostí 12,8 km/s (46.180 km/h). To je největší rychlost, jakou kdy přistával objekt vyrobený člověkem.

Pouzdro klesalo k zemskému povrchu volným pádem. Při brzdění kometární vzorky před extrémním žárem a shořením uchránil aerodynamický štít, který pohltil 99 % pohybové energie.

Stabilizační padák se otevřel ve výšce 32 km a ve výšce 3 km hlavní padák, na kterém pouzdro během 10 minut přistálo.

Vzorky byly následně dopraveny do speciální laboratoře NASA v Johnson Space Center, Houston, kde byly uloženy v ochranné atmosféře a nyní jsou studovány.

Jak a co vlastně sbírala sonda Stardust?

V průběhu letu ke kometě 81P/WILD 2 byla „raketa“ svou opačnou stranou vystavena prachovým proudům a prováděla sběr mezihvězdného materiálu, který proniká do naší sluneční soustavy z mezihvězdného prostoru. Podle astronomických teorií tyto proudy obsahují prachové částečky vyvržené ze vzdálených hvězd při jejich zániku. Mezihvězdný prach, tvořený mikroskopickými částicemi anorganických i organických látek, podle některých teorií mohl v minulosti přispět i ke vzniku života na Zemi. Sběr mezihvězdného prachu probíhal v obdobích od února do května 2000 a od srpna do prosince 2002.

Z prachových detektorů, které byly umístněny například na meziplanetárních sondách Galileo či Cassini, už astronomové vědí, že takové částice skutečně existují. Je jich ale extrémně málo.

Tito rudí veleobři s hmotnostmi převyšujícími 20 hmotností Slunce jednou vybuchnou jako supernovy a do okolního vesmíru rozptýlí spostu mikroskopického prachu.

Další sběr částic poté nastal u samotné komety Wild 2. Během přiblížení ke Slunci se z jádra komet, které jsou Sluncem zahřívány, uvolňují plynné a prachové částice. Přibližně po tisíci průletech kolem Slunce jádro komety ztratí většinu těkavých látek a přestane vytvářet kómu (plynný obal kolem jádra komety). Kometa Wild 2 ztratila prozatím jen velmi málo těkavých látek, protože uskutečnila teprve 5 oběhů kolem Slunce. Vědci se rozhodli tyto uvolňované částice zachytit a dopravit do pozemních laboratoří.

Při sbírání částic se používal křemičitý aerogel, což je řídká netečná mikroporézní látka, která umožnila zachytit relativně rychlé částice bez velkých změn jejich fyzikálních a chemických vlastností. Hustota tohoto materiálu je 1.000krát nižší než hustota skla, proto je někdy nazýván "tuhý kouř".

Kresba sondy Stardust se vztyčeným „lapačem“ prachu ve tvaru tenisové rakety.

K odběru kometárních částic byl vyvinut speciální "lapač", tvarem připomínající tenisovou raketu. Aerogel byl na sběrači připevněn v řadách hliníkových buněk. Jedna strana sběrače byla vystavena mezihvězdnému prachu, druhá byla použita pro shromáždění kometárních vzorků. Do tohoto zařízení byla zachytávána prachová zrníčka o velikosti 1 až 300 mikrometrů a předpokládá se, že se mohlo zachytit až 10.000 prachových částic. Po nabrání všech vzorků sonda aerogel zapečetila a vyslala v návratovém pouzdru na Zem.

Vzorky by měli obsahovat kometární částice, které ukrývají jedinečné chemické a fyzikální informace z období vzniku planet a o veškerém materiálu, který nás dnes obklopuje. NASA očekává, že většina sebraných částic nebude větších než třetina milimetru. Pro studium však vědci budou tyto částice ještě dále dělit. Astronomové věří, že mise Stardust jim pomůže najít odpovědi na základní otázky o původu sluneční soustavy. Doufají, že důkladná pozemská analýza kometárních vzorků odhalí mnoho nejen o samotné kometě, ale i o nejranější historii sluneční soustavy a vzniku komet.

Další výsledky mise Stardust

Dne 2. listopadu 2002 proletěla meziplanetární sonda Stardust kolem planetky (5535) Annefrank. Setkání, které sloužilo především k otestování všech systémů sondy, přineslo i vědecké výsledky. Na snímcích, které sonda pořídila ze vzdálenosti asi 3.300 km sice nelze rozlišit detaily povrchu planetky, ale ukázalo se, že planetka je 2krát větší než se čekalo a mnohem tmavší (největší rozměr okolo 8 km).

Planetka pojmenovanou po oběti holokaustu Anne Frankové.

Planetka, kterou objevil v březnu 1942 německý astronom Karl Reinmuth a patří do hlavního pásu planetek mezi Marsem a Jupiterem, je pojmenovaná podle oběti holocaustu Anne Frankové, která si vedla slavný deník.

Co s nasbíraným materiálem?

Pouzdro sondy SIDC (Stardust Impact Dust Collector) obsahuje spoustu prachových zrnek, nicméně tato zrnka mohou být nalezena jen za pomoci mikroskopických snímků s velkým zvětšením. Každý snímek pokrývá oblast menší než zrnko soli a vzhledem k tomu, že celý SIDC má kolem 1000cm^2, bude potřeba 1,6 milionu snímků.

Částečky nelze najít automatickými systémy. Běžně se tyto problémy řeší tak, že se vezme automatický mikroskop, který udělá dva snímky z různých hloubek vzorku. Snímky následně vyhodnotí počítač a určí, jestli tam je stopa po impaktu nebo ne. Zde však jsou všechny částečky v nejsvrchnější vrstvě aerogelu, kde je gel rozlámán a je na něm mnoho kazů, méně než 0,1milimetru hluboko. Bylo nutné vyvinout sofistikované algoritmy, které stopy po zrnkách oddělí od kazů. Nejprve je ovšem potřeba udělat řádnou analýzu těchto prachových částeček a vzhledem k tomu, že Stardust je první sonda která je přivezla, nikdo neví, jak přesně budou vypadat. V současnosti je známa jediná metoda, kterou je možné tyto částečky najít, a tím je lidské oko. To dokáže s trochou tréninku stopy po částečkách snadno rozlišit od kazů.

Projekt Stardust@Home

Současné odhady hovoří o tom, že sonda „polapila“ kolem 50 mezihvězdných prachových zrníček. Ve srovnání s tisíci či snad dokonce milióny zrníček pocházejícími z komety, které se nacházejí v jiné části detektoru, je to naprosto nepatrné množství. Pro vědce je to ovšem srovnatelně cenný materiál.

Mikroskopický skener pořizuje snímky jednotlivých částí aerogelu, které jsou nabídnuty dobrovolníkům pro hledání zachycených částic mezihvězdného prachu.

Astronomové hned přišli s názornou analogií. Hledání těchto zrníček v aerogelu je srovnatelné s pátráním po 50 mravencích na ploše fotbalového hřiště, nebo pověstné jehly v kupce sena. Převedeno do časového měřítka by to znamenalo asi 20 let práce vědeckého kolektivu. Takového výkonu není jedinec ani kolektiv v relativně rozumném časovém obzoru schopen. Vědci se proto rozhodli - inspirováni například úspěšným projektem SETI@home zapojit do pátrání po prachových částicích širokou veřejnost. Zájem dobrovolníků o registraci krátce po oznámení projektu Stardust@home je nezklamal. Celkem se zatím přihlásilo na 200 tisíc lidí.

Hledání probíhá následovně. Automatický mikroskop udělal 1,6milionů snímků o rozměrech 260×340µm. Každý snímek má 10% překrytí se sousedním snímkem a u každé plošky udělal 40 snímků, které jsou zaostřeny do jiné hloubky (od 20µm od povrchu až po 100µm od povrchu) a z nich byl vytvořen krátký film (shot). Pouze stopa, která je patrná souvisle přes větší množství těchto snímků je kandidát na stopu po reálné částici.

Snímek prachu zachyceného v aerogelu.

Projekt se ovšem musel nejdříve vypořádat s nečekanými problémy. Mikroskopický skener, který měl posloužit k pořízený digitálních snímků řezů aerogelem, nebyl schopný přesného zaostření. Povrch jednotlivých řezů je totiž hrubší než se původně čekalo. Vyřešení problému si vyžádalo několik měsíců času a vedlo ke zpoždění startu projektu. K tomu nakonec došlo 3.3.2006, kdy si dobrovolníci mohli stáhnout první snímky.

Výzkumníci z University of California v Berkeley jich prozatím dali na internetu k dispozici na 400 tisíc. Skenování bude i nadále pokračovat a předpoklady hovoří o tom, že skončí nejdříve na konci roku 2007, kdy bude k dispozici na 700 tisíc snímků.

Dobrovolníci, kteří mezitím prošli určitým tréninkem, tyto obrazy prohlížejí a hledají na nich stopy, které zanechaly mezihvězdné částice. Každý obrázek prohlédnou čtyři lidé. Pokud dva z nich identifikují prachovou částici, bude nabídnut další stovce hledačů. V případě, že 20 z nich opět identifikuje přítomnost částice, bude snímek předán vyškoleným vysokoškolským studentům. V případě potvrzení objevu budou mít původní objevitelé právo přidělit částici označení. „Objevitel“ zrna má rovněž zaručeno spoluautorství všech publikací, které budou dané prachové částici vypracovány.

Zajímavé je, že nikdo přesně neví, co vlastně hledat. Jak přiznává ředitel projektu Andrew Westphal: „Nevíme jak typické interstelární prachové zrno vypadá.“ Nicméně zkušenost s analýzou kometárního prachu z opačné části lapače i předchozích experimentů napovídá, že tato zrna by se v aerogelu měla prozradit zužujícím se maličkým tunelem ve tvaru mrkve, na jehož konci je samotná částice zachycena.

Dvě stopy vzniklé po průniku částic do detektoru vyplněného aerogelem. Aerogel je z 99,8% tvořen vzduchem.

Zrna mezihvězdného prachu byla zatím nalezena pouze v meteoritech. Tato zrna ale už prošla určitým „přepracováním“ a nejsou tedy originální. Předně byla zachycena a stlačena do mateřského tělesa meteoritu. A při extrakci z meteoritu v laboratoři byla vystavena různým rozpouštědlům a dalším nástrojům. Naopak zrna zachycená v aerogelu by měla být zcela nepozměněná.

Jak probíhá skutečné hledání v rámci projektu?

Nejprve je třeba se zaregistrovat. Při registraci budou vaše schopnosti a užitečnost pro projekt otestovány přímo na 10 vzorových filmech. Pokud alespoň 8 z 10 vyhodnotíte správně, ukáže se vám okno kde si budete moct vyplnit své registrační údaje a zapojit se do ostrého hledání. Pokud budete mít více než 2 špatné odpovědi, můžete se o registraci pokusit znovu.

Pohledu na část aerogelu se zachycenou částicí.

Boční řez aerogelem, kde je jasně znázorněn průběh dráhy částice.

Vyhledávací panel - horní část:
Percent of images loaded: Procento načtení obrázků daného shotu
Images loaded for next movie: Obrázky načtené pro příští shot

 

Vyhledávací panel - pravá část:
V pravé části se nachází doostřovací stupnice a několik tlačítek
No Track: Toto tlačítko slouží k označení obrázku, na kterém se nenachází žádná prachová částice, ovšem je kvalitní a lze jej doostřit
Bad Focus: Tlačítko pro určení špatně zaostřeného obrázku
Examples: Po kliknutí na toto tlačítko, se vám ukáží vzorové snímky, s výskytem různých možných situací, se kterými se můžete při vyhledávání setkat a popis toho, jak je máte označovat. Dané možnosti si popíšeme názorně na dalších snímcích.

Po prohlédnutí a zhodnocení každého shotu, se vám prohlédnutý obrázek započítá do statistiky a zároveň se případně započítá bod za správně/špatně zhodnocený obrázek. Kdykoliv se můžete v prohlížeči vrátit zpět a zjistit proč se vám například započítal bod za špatně zhodnocený film, ovšem opravit vaše volba již nelze.

Vzorová ukázka filmu s částicí

Ukázka jak postupovat při hledání částice. Soustřeďte se na obrázek a myší pohybujte po modré stupnici nahoru a dolů. Při tomto pohybu nedržte žádné tlačítko myš.

TRACK: Doostření na úroveň 1 (nad povrchem, šipka ukazuje na předpokládanou stopu)

Uvědomte si že hledáme pouze mezihvězdný prach, nikoliv trhlinky v aerogelu, či jeho nalepené kousky.

TRACK: Doostření na úroveň 2 (na povrchu – surface)

Skutečná částice má hodně typickou dráhu.

TRACK: Doostření na úroveň 3 (pod povrchem)

Tato částice je tak velká, že ji můžete snadno vidět na konci její dráhy.

TRACK: Doostření na úroveň 4

Takováto prachová částice je větší než si původně vědci z projektu představovali, že by sonda mohla zachytit.

TRACK: Doostření na úroveň 5

Jestli uvidíte takovouto dráhu tak ji hned označte. Možná, že právě toto je jedna z hledaných částic, kterou před vámi ještě nikdo jiný nenašel.

Ostatní možné situace při zobrazení a co s nimi

BAD FOCUS, above surface (špatně zaostřené, nad povrchem)

Toto je špatně zaostřený snímek, který při jakémkoliv posouvání po modré stupnici nelze doostřit. U takového snímku stiskni ,,BAD FOCUS,, pro jeho označení. Špatné snímky se následně budou snímat znovu.

TILTED SURFACE (skloněný povrch)

Občas automatizovaný mikroskop má problém sejmout přesně shot tak, aby nedošlo k odrazu světla od aerogelu. nebo dojde ke špatnému úhlu sejmutí, tak jako v tomto případě.

TILTED SURFACE (snaha o doostření):

Ani při největší snaze doostřit celou plochu, se vám to nepodaří. Takovýto snímek je třeba označit jako ,,BAD FOCUS,, aby došlo k jeho novému sejmutí.

Fragment aerogelu

Ukázka nejčastějšího omylu. Takovýto předmět si hodně lidí plete s dráhou částice, ovšem není tomu tak. Je to příklad zlomku aerogelu, který při průniku některé částice odlétl a v jiném místě na aerogelu ulpěl. Při doostřování se neukazuje dráha částice, ale jen v posledním okamžiku se najednou objekt objeví.

DUST (prach)

Toto je příklad trhliny v aerogelu. Pokud na takovémto snímku nenaleznete žádnou částici ani žádnou jinou vadu, klikněte že na něm nic není: ,,NO TRACKS,,. V žádném případě neoznačujte tento snímek jako špatný.

SCRATCH (poškrábání)

Zde je příklad rýhy v aerogelu, nikoliv dráhy průniku částice. Ačkoli aerogel byl před umístěním do sondy důkladně prozkoumán, po návratu se na něm bohužel z dosud neznámých důvodů takovéto rýhy místy vyskytují. Pokud na takovém snímku nenaleznete žádnou jinou částici ani žádnou další vadu, klikněte že na něm nic není, tedy ,,NO TRACKS,,. V žádném případě neoznačujte takovýto snímek jako špatný.

DUST ON CAMERA (smítko na kameře):

Toto je na snímcích poměrně běžný kaz, ke kterému dochází zachycením smítka na kameru. Posouvání ohniska kamery nemá žádný vliv na zobrazení takovéto částečky, podle čehož se i pozná že se nejedná o objekt v aerogelu. Pokud na takovémto snímku nenaleznete žádnou jinou částici a ani žádnou vadu, klikněte že na něm nic není: ,,NO TRACKS,, . V žádném případě neoznačujte takovýto snímek jako špatný.

Ukázka uživatelské statistiky:
Calibration Movies Answered Correctly: Správné odpovědi na kalibrační shoty/ filmy
Calibration Movies Answered Incorrectly: Nesprávné odpovědi na kalibrační shoty/ filmy
Your Overall Score: Vaše celkové skóre
Total Real Movies Viewed: Prohlédnuto skutečných shotů/filmů celkem
Your Rank: Vaše pořadí
Specificity: Přesnost/chybovost
Sensitivity: Citlivost

Dle poměru chybně a správně označených filmů se počítá i procentuální ukazatel vašeho účtu, tedy jak dobře dokážete filmy přečíst. Pokud prý bude v konečné fázi projektu nutné podrobně prozkoumávat některé snímky, tak právě účastníci s nejlepší rozlišovací schopností dostanou při průzkumu přednost.

Jako hrubý základ pro tento článek byl použit původní článek Pavla Kotena pro server Osel.cz. Aktualizaci, doplnění textu, dalších obrázků a návod na samotný projekt dopracoval forest. Autorovi článku i redakci serveru Osel.cz bych tímto za možnost použití zdrojů ze článku pro náš web, chtěl moc poděkovat.

Za gramatickou a syntaktickou kontrolu bych chtěl moc poděkovat JardoviM.

Svůj komentář na tento článek, co by mělo být opraveno, či doplněno můžete napsat do této sekce na našem týmovém fóru. Téma s komentářem k tomuto konkrétnímu článku, by mělo nést stejný název, jako článek na webu.