Asteroids@home – Modelování asteroidů a zkoumání jejich period prostřednictvím počítačů

Jak už jsem naznačil při popisu fotometrie, lze díky ní zjistit periodu rotace asteroidu, ale dokonce i jeho tvar a model. S matematicky hezkou a prakticky fungující metodou přišel před několika lety finský vědec Mikko Kaasalainen se svými kolegy. Kaasalainen je profesorem na katedře matematiky Tampere University of Technology a zabývá se hlavně inverzními metodami a jejich aplikacemi v astrofyzice. Jeho metody jsou využívané pro matematické modelování v mnoha oblastech nejen astronomie. Právě díky jeho výzkumu v oblasti inverze světelných křivek dokážeme na základě fotometrických údajů z různých časů pozorování na různých místech naší planety a různými přístroji modelovat nejpravděpodobnější tvary asteroidů.

Při této metodě vycházíme:

• ze vzájemné geometrie Slunce, Země a pozorované planetky v daném čase
• z efemerid (údaje o poloze známých pohyblivých astronomických objektů v určitém čase) poskytovaných Jet Propulsion Laboratory, NASA, prostřednictvím systému Horizons, katalogu AstOrb a údajů o drahách malých těles, která dává k dispozici Lowell Observatory ve Flagstaffu
• z velkého množství fotometrických dat z různých zdrojů

Velkou výhodou je, že vůbec není potřeba několikahodinová pozorování jednoho objektu na obloze a to ani pro zjištění rotační periody. Postačí nám takzvaná řídká fotometrická data, vznikající při nahodilém i cíleném snímkování oblohy na různých místech planety, ovšem potřebujeme je z období několika let. V průběhu času se totiž mění geometrie polohy Země, Slunce a osvícené části planetky a díky tomu i úhel našeho pohledu na ni. Pokud tedy máme k dispozici dostatečné množství měření z různých geometrií, můžeme odvodit model tvaru planetky, směr rotační osy i periodu rotace. Kdyby byla planetka kulatá, byla by stále stejně jasná, naopak u protáhlé planetky budeme pozorovat velké množství změny jasnosti při pohledu z boku a malé při pohledu od pólu. Naštěstí mají planetky rovnoměrné albedo (nejsou na nich výrazné světlé, nebo tmavé skvrny), jinak by se měnila jasnost i kulatých objektů a jejich tvar by nešel odvodit. Řídká fotometrie probíhá tak, že dalekohled systematicky snímá po částech celou oblohu, na každém zorném poli se zastaví jen na cca 30 s a proměří jasnost třeba i sta objektů naráz. Poté se přesune na další zorné pole. Naměřenou jasnost a polohu jednotlivých objektů zaznamenává jako fotometrické body. Následně se tyto body katalogizují ke každému objektu zvlášť.

Metoda modelování planetek z řídké fotometrie je tedy po stránce sledování a provádění měření poměrně nenáročná, ovšem o to náročnější je na matematické zpracování a proto nám musejí pomáhat počítače. Program zpracovává vždy jen data zařazená k jedinému objektu z mnoha fotometrických bodů, zaznamenaných po delší čas sledování. Při hledání modelu se postupně zkouší několik set tisíc možných period rotace v rozsahu od dvou do sta hodin. V jednom kroku periody se zkouší několik poloh pólu a jim odpovídajících tvarů, pracuje tedy se třemi neznámými hodnotami (perioda, osa, tvar) a zkouší miliony jejich kombinací. Syntetické světelné křivky modelu se porovnají se vstupními fotometrickými daty a model, který nejlépe odpovídá vstupním datům (říkáme že „fituje“), se označí za nejpravděpodobnější model tělesa. Může to být pouze jeden model, který bude mít fit výrazně lepší než ostatní modely, nebo jich může být i víc s obdobnými hodnotami fitu, pak nejde jednoznačně určit, který z nich je ten správný.

Názornou ukázku funkčnosti takovéhoto počítačového modelování pouze na základě řídkých fotometrických dat publikoval a předvedl Kaasalainen s několika spolupracovníky již v roce 2001. Vzhledem k nedostatku kvalitních řídkých fotometrických dat se ale tento výzkum v žádném větším rozsahu dalších několik let neprováděl.

Tato možnost a oblast astronomie ovšem zaujala Mgr. Josefa Ďurecha, Ph.D. (odborného asistenta Astronomického ústavu Univerzity Karlovy), který v letech 2005 – 6 odcestoval na stáž přímo do Helsinek, kde s Kaasalainem spolupracoval. Po návratu získal u Grantové agentury ČR tříletý grant (GP205/07/P070) na výzkum v této oblasti a na základě výsledků v roce 2009 jeho prodloužení na dalších pět let (GAP209/10/0537). Jako výpočetní nástroj má možnost využívat katedrální cluster, který se skládá z několika počítačů (http://sirrah.troja.mff.cuni.cz/tiger/). Ovšem vzhledem k jiným výzkumům prováděným na Astronomickém ústavu může využívat celkový výkon clusteru zhruba jen z 1/3.
Jako podklady je možné pro výzkum využít kvalitní fotometrická data od padesátých let minulého století. Ke zdárnému výsledku stačí 100 - 200 měření po dobu 5 - 10 let, záleží na vlastnostech objektu. Bohužel kvalitních fotometrických dat je pro většinu planetek nedostatek, jelikož pro astronomy není hlavním cílem měřit jasnost objektů, ale nacházet nové. Projekt zpracovává data hlavně z pěti vybraných observatoří, která obsahují minimum nepřesností. Hlavními dodavateli dat by měli být v budoucnu:

• projekt astronomického ústavu Hawaiiské univerzity Pan-STARRS (The Panoramic Survey Telescope and Rapid Response system - http://pan-starrs.ifa.hawaii.edu/public/ ). Ten se má po dokončení skládat ze čtyř 1,8 m dalekohledů se širokým zorným polem, které budou schopné pozorovat oblohu několikrát za měsíc. Vytvoří dosud nejkomplexnější snímání asteroidů. Většina detekovaných těles bude patřit do hlavního pásu asteroidů a pro zhruba 100 000 planetek bude nakonec možné odvodit model. Prozatím je v provozu první z dalekohledů Pan-STARRS 1, který již začal poskytovat data. Ve výstavbě je druhý dalekohled Pan-STARRS 2, měl by být v provozu během několika let.
• GAIA je kosmická sonda Evropské kosmické agentury (ESA - http://sci.esa.int/science-e/www/area/index.cfm?fareaid=26 ), která bude vypuštěna v roce 2013. Jejím hlavním cílem je přesná astrometrie a fotometrie hvězd. Způsobí nicméně i velký rozvoj ve výzkumu malých těles Sluneční soustavy, neboť bude poskytovat velké množství astrometrických a fotometrických dat vysoké přesnosti. Její finální poloha bude zády ke spojnici Slunce – Země, ve vzdálenosti 1,5 milionu km od Země. Naše mateřská planeta ji tedy výrazně odstíní od slunečního svitu a pro úplné odstínění bude mít ještě vlastní desetimetrovou sluneční clonu. Za pět let plánované životnosti má sonda 2x podrobně zmapovat celou oblohu a proměřit změnu polohy těles i jejich jasnost. Na základě dat získaných sondou by měla vzniknout 3D mapa naší Galaxie.
• LSST (Large Synoptic Survey Telescope - http://www.lsst.org/lsst/ ) je navrhovaný 8,4 m pozemský teleskop. Jeho vývoj již probíhá a první pozorování jsou očekávána v roce 2019.

Za svou práci pro oblast výzkumu asteroidů byl Mgr. Ďurech už částečně odměněn i tím, že jeden z asteroidů nese jeho jméno 21888 Durech (1999 UL44). Toto je nesmírná pocta, neboť pojmenovat po někom planetku představuje velmi dlouhou cestu s nejistou úspěšností. Nejprve se musí planetka objevit. Objevitel pak navrhne jméno po nějaké významné osobnosti a teprve Mezinárodní astronomická unie (IAU) návrh buďto schválí nebo ne. To závisí především na tzv. citaci, která v 50 znacích včetně mezer popisuje největší zásluhy dané osobnosti.

Doporučené a související odkazy:
[1] Důležitá data projektu Asteroids@home
[2] Návod pro instalaci BOINC Managera
[3] Připojte se k Czech National Team
[4] Další důležité odkazy k projektu Czech National Team

Autor: Dušan Vykouřil (forest)

Korektoři:
Mgr. Josef Ďurech, Ph.D.
Mgr. Petr Scheirich, Ph.D.
Jaroslav Mikšovský
Vít Kliber
Radim Vančo
Ondřej Hájek

Všechny díly: