Distribuované výpočty v astronomii - 6. díl - Orbit@home

Posel zkázy

Bylo nebylo, ale jestliže ano, tak před mnoha miliony let. To se možná jeden z dinosaurů, tehdejších vládců planety, na konci druhohor podíval směrem k rudé obloze. Zřejmě vůbec nerozuměl úkazu, který spatřil. A pokud ano, již se to nikdy nedovíme. Pravděpodobně to byl však jeden z posledních vjemů v jeho životě. A jeho zánik byl jen součástí zániku celého jeho druhu. Proč?
Paleontologie dospěla k závěru, že pravděpodobná příčina rychlého vymření dinosaurů spočívá v neblahých následcích srážky naší planety a neznámého kosmického tělesa. Zatímco dobrá matička Země si v klidu pluje po své dráze, přiřítí se odkudsi z hlubin vesmíru nadprůměrně velký asteroid (asi tak 10 km v průměru) a buch! Dinosauří éra končí a podmínky na Zemi na dlouhou dobu splňují představu o „jaderné zimě“. Pojďme se podívat na možnou rekonstrukci takové události.

Takové těleso se na své dráze přibližuje Zemi. Protože je při putování naší Sluneční soustavou ovlivňováno gravitačními silami jejích těles, jeho dráha podléhá jejich vlivu. Navíc během svého oběhu mění rychlost. Ta se v oblastech, kde kříží oběžnou dráhu Země, pohybuje okolo 40 000 km/hod. A náhle se mu do cesty dostává Země. Vesmírné objekty mají jeden velký nedostatek, a tím je neovladatelnost. Tak dochází k poslední fázi tragédie. Náš asteroid se dostává na kritickou vzdálenost od Země, a navíc pod úhlem, který umožní po jeho vstupu do atmosféry dopad až na zem. A tady je počátek dinosaurova pohledu na rudou oblohu. Zatímco asteroid bojuje se zvyšujícím se odporem vzduchu, jeho povrch začíná hořet. Vzhledem k velikosti asteroidu a jeho rychlosti pro něj však Zemská atmosféra nepředstavuje větší překážku a asteroid se nepříliš zmenšenou rychlostí blíží k Zemskému povrchu.
Pak už následuje nevyhnutelný střet. Náš asteroid dopadá na zemský povrch s energií, která je součinem jeho hmotnosti a čtverce rychlosti. Efekt je stejný, jako když vám do čelního skla vašeho vozu při rychlosti 150 km/hod narazí vrabec. Auto vám sice nerozbije, ale čelní sklo bývá k nepoznání. V prvním okamžiku nárazu dochází k uvolnění obrovského množství energie. Tlaková vlna se šíří od místa nárazu rychlostí v řádu stovek km/hod a do vzdálenosti mnoha set kilometrů. Zemská kůra sice částečně zafunguje jako tlumič nárazu, ale deformace tektonické desky okamžitě vyvolá vysokou seismickou aktivitu, nemluvě o uvolnění milionů tun prachu a drobných částic do horních vrstev atmosféry. Během několika dnů se téměř celá Země ocitá v šeru. Lokální důsledky střetu jsou obrovské, ale globální následky je svým destrukčním účinkem ještě předčí. Strmě narůstající sopečná aktivita chrlí další miliony tun pevných částic, především popela, do atmosféry a ve vyšších atmosférických vrstvách se tvoří štít, kterým proniká jen mizivé procento slunečních paprsků. To má fatální dopad na vegetaci a vede k naprosté změně životních podmínek na Zemi. Narušení přirozeného potravinového řetězce znamená zhroucení ekosystému. Sbohem, dinosauři.
No nic, my savci jsme to nějak přežili a evoluce vesele pokračuje. V klidu třeba u kávy si teď pročítáte tyto řádky a říkáte si, tohle se nám stát nemůže. Ale může, přátelé, může.
 

Hrozba z vesmíru

Vesmír se vyznačuje navzdory své dokonalosti stavem, který lze nazvat „řízeným chaosem“ (neplést s neřízeným, ten je doménou naší politické scény). Vzhledem k neustálému působení sil, ovlivňujících dráhu vesmírných těles na principu Newtonova gravitačního zákona, stále a stále dochází k malým i velkým srážkám mezi velkými a malými tělesy. I když neradi, musíme si přiznat, že není v silách naší civilizace tento fakt změnit. A protože teorie pravděpodobnosti nemá slitování (spíše smysl pro humor), občas dochází i na nás. Od neškodných maličkých meteorků až po Tunguzského návštěvníka. Pojďme si je pro představu nějak rozdělit.

Nejmenší co do objemu a ničivého potenciálu jsou tzv. meteoroidy, tělesa s průměrem menším než 50 metrů. Pokud meteoroid vstoupí do Zemské atmosféry, nazýváme jej meteorem a pokud na Zemský povrch dopadne, stane se meteoritem. Dopad takového meteoritu doprostřed Evropy by nám slušně narušil poklidný život, avšak je velká pravděpodobnost zachování civilizace na rozumné úrovni. Pro klid v duši čtenáře můžeme dodat, že většina těles s velikostí do 50 cm neškodně shoří při vstupu do atmosféry.

Větší útočné zbraně vesmíru s průměrem nad 50 metrů nazýváme asteroidy (česky - planetky). Jeden z těchto dárků z nebe vyhubil dinosaury, další by mohl ukončit evoluci našeho druhu. Každý asteroid o průměru větším než 1 km již patří do skupiny extrémně nebezpečných. Asteroid o velikosti větší než 5 kilometrů by naši civilizaci ukončil s velkou pravděpodobností.

No a na závěr tu máme ještě komety. Ty jsou tvořeny z velké části prachem, zmrzlými plyny a ledem. Oproti asteroidům se vyznačují obrovskou rychlostí, v řádu stovek tisíců kilometrů v hodině. Kometa by při prostupu atmosférou naší planety přišla o velkou část své kinetické energie. Díky svému složení i objemu by se uvolnily stovky miliard tun vodních par, oxidu uhličitého a také metanu, což by mělo jistě značné dopady na život všech organismů. Na povrch Země by následně dopadlo těleso srovnatelné s větším asteroidem, které by ovšem díky své nižší soudržnosti ztratilo velkou část své ničivé síly a při svém dopadu by nevyvrhlo do atmosféry tolik materiálu ze zemské kůry, jako by to udělal asteroid podobné velikosti.
Celkové následky dopadu komety lze tedy považovat za stejně nebezpečné, jako dopad velkého asteroidu.

Aby však nebyl možný soupis nebezpečných vesmírných tuláků pro slabé povahy depresivní, omezíme se na možný vliv takzvaných NEO ( Near Earth Object), česky Objektů blížících se k Zemi. Protože ale čeština nezní tak honosně v tomto slovním spojení, budeme nadále pro naši potřebu používat zkratku NEO.
 

Strážci nebes aneb jak si krýt záda

Již dávno v historii pochopili osvícení válečníci sílu informace o pohybu nepřítele. Dávalo to možnost plánovat strategii a taktiku ve prospěch vítězství. A vítězství znamenalo přežít. Až pohlédneme my sami k rudé obloze, zbude nám čas tak na pár sprostých slov.
Aby se tak nestalo, byl vytvořen systém, který do databáze ukládá poznatky o všech monitorovaných NEO objektech. Systém dostal příznačný název Spaceguard, a pracuje na základě spolupráce mnoha institucí po celém světě. Jeho hlavním úkolem je vyhledání NEO dosahujících velikosti 1 km a více, a simulací jejich pravděpodobné dráhy klasifikovat možné riziko střetu se Zemí.

Mapa dosud známých asteroidů.
Zdroj:http://keetsa.com

Pro definici rizika se používá takzvaná Turínská stupnice. Dosažením určitého rizika se pak změní NEO na novou klasifikaci zvanou PHA (Potentially Hazardous Asteroid), česky Potenciálně nebezpečný asteroid. Průběžně aktualizovaný přehled těchto těles najdeme na stránce: http://echo.jpl.nasa.gov/asteroids/PDS.asteroid.radar.history.html
Jen pro názorný příklad: asteroid typu Apollo označený 2007 TU24 se dne 29.1.2008 přiblížil Zemi na 1,4 vzdálenosti Země - Měsíc (tedy asi na 450 000 km), přičemž jeho velikost byla odhadována na 300-600 m. Tato nedávná událost by měla být nejtěsnějším průletem asteroidu až do roku 2027. Podotýkám, měla.
 

Poznej svého nepřítele

Hovoříme-li o rizikových objektech, je třeba lépe popsat nejen jejich význam, ale i způsob, jak je odhalit. Kromě pozorování prostřednictvím optických teleskopů probíhá vývoj monitorovací technologie na základě sledování změn infračerveného pole pomocí širokoúhlé kamery umístěné na sondě WISE (Wide-field Infrared Survey Explorer). Asteroidy pohlcují sluneční záření, ohřívají se a mohou být tedy odhaleny touto termocitlivou metodou. Provozovatel satelitu, NASA, očekává od této metody schopnost zachytit zhruba 400 NEO během jednoho roku práce, tedy asi 2% z celkového odhadovaného počtu. Otázkou zůstává, jak určit, zda lze NEO přiřadit PHA klasifikaci, tedy jak určit míru rizika.
 

Nebeská rozvědka - aneb ORSA v akci

Nyní jsme si již objasnili, jaké druhy vesmírných tuláků rozlišujeme, a také jak je nacházíme. Nyní je třeba objasnit způsob, jak určit jejich trajektorii, která přímo určuje míru rizika. Pro tento účel bylo využito programu ORSA ( Orbit Reconstruction, Simulation and Analysis ) neboli rekonstrukce, simulace a analýza orbitu (dále jen ORSA).
Tento projekt poskytuje poznatky pro vývoj algoritmů nebeské mechaniky, které umožňují simulovat jakýkoliv planetární systém s použitím rychlých a přesných algoritmů. S pomocí tohoto kódu lze u každého objeveného NEO objektu předpovědět jeho trajektorii a tím i procento pravděpodobnosti srážky se Zemí. A vzhledem k počtu nám známých i budoucích NEO je zřejmé, že naše distribuované výpočty jsou pro tento účel ideálním prostředkem. Množství údajů, které je nutno zpracovat, je nad rámec možností běžné výpočetní struktury - k použitelné analýze jsou potřeba tisíce počítačů.
A právě z tohoto důvodu byl založen projekt Orbit@home, který informace z monitorovacího systému za použití ORSA kódu zpracovává a výsledky předává k další analýze vyhodnocení možného rizika. V případě nadbytku výpočetního potenciálu je díky univerzálnosti použití ORSA algoritmů možno sledovat i další kosmická tělesa a jejich dráhy v interakci s jinými. To znamená, že tento projekt umí vyhodnotit nejen pravděpodobnost srážky tělesa se Zemí, ale i třeba možnost srážky nějakého „kosmického dárečku“ s orbitální družicí, a navrhnout ideální dráhu meziplanetární sondy tak, aby byla možná rizika minimalizována.

Velikou výhodou ORSA algoritmů je skutečnost, že jsou postaveny na základě otevřeného zdrojového kódu, který umožňuje algoritmy různě měnit, a samozřejmá je i možnost úpravy tohoto kódu pro různé operační systémy. Možnost změny základních parametrů umožňuje změnit i cílový předmět výzkumu. Pokud bychom vyčerpali všechny objekty, které mohou křížit naši oběžnou dráhu, můžeme se zaměřit na výpočty drah pro jiná blízká tělesa, Měsíc nebo ostatní objekty Sluneční soustavy.
Dále může také sloužit jako kalibrační nástroj pro porovnání výsledků pozorování prostřednictvím WISE a virtuálních simulací.
 

Závěr aneb stop apokalypse

Výsledky těchto porovnávání sice nejsou účinnou zbraní pro odvrácení katastrofy, ale dávají nám naději. Naději v podobě poskytnutého času na odražení hrozící zkázy. A když je čas na přípravu k boji, je vyšší šance na vítězství. I když už dnes je možná nalezen vhodný způsob obrany.

Lasery, po jejichž zásahu se kilometrový asteroid vypaří, ponechme scénáristům laciných sci-fi. Nicméně například teorie drobného vychýlení trajektorie pomocí jaderné exploze má svůj reálný fyzikální základ. Princip podobný bojovému umění aikidó. „Přidáme-li útočné energii protivníka část své vlastní obranné tak, aby změnila vektor útočné síly, je následek útoku odvrácen.“

Takže přátelé, poskytnete-li výpočetní čas svých PC tomuto projektu, budete pomáhat k vítězství v bitvě o osud lidstva jako celku. A nezbývá než doufat, že k ní jen tak nedojde. Věřím, že nemáme-li připraveny dostatečné technické prostředky k odvrácení takové hrozby nyní, jednou je lidstvo vytvoří.
 

Jak se můžete zapojit do tohoto výzkumu?

Postup je naprosto jednoduchý. Stačí mít k dispozici počítač s připojením na internet a postupovat například dle tohoto návodu -->>.
V době vydání tohoto článku, bohužel projekt neměl k odeslání žádné jednotky. Orbit@home je stále ještě ve vývoji, takže práce není k dispozici stále. Jednotky zatím poskytuje jen po celých várkách a následně čeká na jejich kompletní zpracování. Další balík práce by mohl být uvolněn právě na přelomu března a dubna tohoto roku. Po ostrém spuštění, již by měl být problém nedostatku práce odstraněn.
Czech National Team v projektu Orbit@home
Připojit se k Czech National Teamu na Orbit@Home

 

Závěr

Tímto náš seriál končí. Doufám, že pomohl k dostatečnému představení světa distribuovaných výpočtů v oblasti astronomie, i základních všeobecných principů této naší činnosti. Celkem je projektů distribuovaných výpočtů již více než 100 z různých oblastí lidské činnosti. Kromě astronomie je zde zastoupena biologie, fyzika, kryptografie, matematika, klimatologie, seismologie, výzkum nových technologií a další. Můžete se zapojit i do několika projektů a oblastí naráz a stačí vám k tomu jeden běžný počítač. Zároveň máte i možnost připojení několika počítačů ke svému účtu - možnosti jsou téměř neomezené.
Kromě distribuovaných projektů zpracovávaných prostřednictvím matematického procesoru (CPU), nebo procesoru grafické karty (GPU), jsou zde ale i projekty, do kterých vstupují samotní účastníci a zpracovávají data projektů na počítačích ručně. O těchto projektech si povíme ale zase někdy jindy.

Kompletní seznam všech distribuovaných projektů naleznete přehledně zpracovaný na stránkách českého národního týmu: http://projekty.czechnationalteam.cz/


Zdroje:
Oficiální stránky projekt Orbit at home
Wikipedia

Autoři: Merlin - Space Family
           Tomáš Pazderka (Zelvuska) - Czech National Team
Překlad: Tomáš Pazderka (Zelvuska) - Czech National Team
Korektura: JardaM - Czech National Team
           Dušan Vykouřil (forest) - Czech National Team
Grafické zpracování a doplnění textu: Dušan Vykouřil (forest) - Czech National Team