Kiss L. László
Így dolgozik egy XXI. századi csillagász

 
A csillagok világa iránt mindenféle szinten érdeklődőkkel rendszeresen találkozva gyakran tapasztalom azt, hogy meglehetősen téves kép él a csillagász munkájáról, a csillagászati kutatások valódi gyakorlatáról. Sokakban a csillagász képe összeforr a derült éjszakákon távcsőbe „kukucskálással”, aminek eredményeként valamilyen varázslatos- tevékenységgel kiderítjük az ég titkait, és nehezen hiszik el, hogy még a megfigyelő csillagászattal foglalkozó szakemberek sem töltenek évente néhány hétnél többet távcsőközelben, illetve hogy egy tipikus csillagász munkaidejének legalább 90-95%-a számítógép előtt zajlik. A kutatómunka intellektuális kihívásai és a tudományos fejlődés nagymértékben igényli a tudósok alkalmazkodóképességét a gyors szemléletváltáshoz és az új módszerekhez, ugyanakkor a nemzetközi életben való szükséges és állandó részvétel a kommunikációs készségeket teljes mértékben kiaknázó folyamat. Jelenleg a világban mintegy 10 ezer kutató dolgozik a csillagászatban, többségük legfeljebb néhány éves szerződéses alkalmazásban konkrét feladatok megoldására, s ahhoz, hogy valaki ezt a szép, ám sokszor nagyon nehéz munkát jól végezze, különböző, első pillantásra akár meglepőnek tűnő készségekre és ismeretekre kell alapoznia.

Az írás célja egy nem titkoltan szubjektív összefoglalás egy véleményem szerint meglehetősen átlagos csillagászkarrier eddigi állomásairól, illetve a közben szerzett tapasztalatokról. Szándékaim szerint ezzel a csillagászatot hivatásként választani kívánók is reális képet kaphatnak a szépségekről és a nehézségekről egyaránt. Nem célom senkit elriasztani a kutatói hivatástól, mindössze a bevezetőben említett romantikus tévképeket szeretném kicsit oszlatni és más megvilágításba helyezni.

Bár általában nem szokás emlegetni (talán mert magától értetődőnek tartjuk?), a csillagászati kutatások alapvetően fizikai problémák megoldására irányulnak. Például a csillagok, a csillagközi anyag, a csillagfejlődés végállapotainak tanulmányozása mind-mind az anyag szélsőséges körülmények (hőmérséklet, nyomás, sűrűség, sugárzási viszonyok) között mutatott viselkedését kutatja, még ha általában nagyon áttételesen is. A távoli galaxisok, galaxishalmazok elméleti és megfigyelési vizsgálatai az egész univerzum kialakulásával és sorsával kapcsolatosak, amit az anyag legnagyobb léptéken mutatott viselkedése, illetve a korai állapotok szélsőséges körülményei határoznak meg. Természetesen a tudomány mai művelői általában apró részproblémák megoldásával foglalkoznak, és néha nehéz belátni, hogyan kapcsolódnak a különböző szakterületek részkérdései a tényleges fizikai problémákhoz. A lényeg azonban mégis az, hogy a fizika, illetve a problémamegoldás során alkalmazott eljárások kapcsán a matematika és a számítástechnika minél mélyebb ismerete rendkívül fontos.

Közbevetőleg egy megjegyzést teszek a szóhasználattal kapcsolatban. Az angol és a magyar szaknyelv egyaránt megkülönbözteti a csillagászatot (astronomy) és az asztrofizikát (astrophysics). A csillagászati szakcikkek jelentős hányada leíró jellegű, ami adódik a belátott univerzumban található objektumok rendkívül nagy számából. Pontos megfigyelések végzése, majd az abból kinyerhető fizikai információk értelmezése magában sok szakismeretet igénylő folyamat, melyben azonban igen ritkán vetődnek fel alapvetően új fizikai problémák. A csillagászat ilyen értelmezésével párhuzamosan szokás megkülönböztetni az asztrofizikát mint az égitestek jellemzőit kialakító fizikai törvények, összefüggések, folyamatok kutatását, amely éppúgy felhasználhatja a precíz megfigyeléseket, mint a leíró jellegű vizsgálatok, ám mégis jellemzőbben elméleti módszerekkel következtet új jelenségekre. Fontos megjegyezni, hogy nincs éles határ sem a megfigyelési és az elméleti kutatások, sem az égitestekről folyamatokra, illetve a folyamatokról égitestekre következtető vizsgálatok között, hiszen egyik sem szakadhat el teljesen a másiktól. Bármilyen munkát végzünk is a csillagászatban vagy asztrofizikában, ugyanúgy tisztában kell lenni az elméleti háttérrel, mint a teóriák megfigyelésekkel történő tesztelési lehetőségeivel.

Az általam bejárt út sok kolléga pályáját ismerve viszonylag reprezentatívnak tekinthető. A szegedi József Attila Tudományegyetemen kezdtem tanulmányaimat fizikus szakon, ahol Szatmáry Károly, a Szegedi Csillagvizsgáló alapítójának és vezetőjének hatása alá kerülve, több tudományos diákköri dolgozatot készítettem. Az egyetemi évek alatt a kutatómunkába történő bekapcsolódás jelentőségét nem lehet túlhangsúlyozni, s a tudományos diákköri mozgalom erre tökéletes kereteket ad (talán az sem véletlen, hogy a 2007-ben megvédett akadémiai doktori értekezésem szakterülete megegyezik az 1992-es, legelső diákköri dolgozatoméval). 1996 és 1999 között PhDösztöndíjasként megtettem az önálló kutatóvá válás első lépéseit (például saját ötletek alapján távcsőidő-pályázatok írása külföldi obszervatóriumok műszereire), amit a doktori fokozat megszerzése után már lényegében mindenkitől elvárunk. Egy csillagászati- asztrofizikai témájú PhD belépő a szakirányú nemzetközi munkaerőpiacra, s a lehetőséggel élve 2002-ben megpályáztam a University of Sydney csillagpulzációs vizsgálatokra kiírt posztdoktori ösztöndíját. Ezt azóta többször meghosszabbítottam újabb pályázati pénzekkel. A Magyar Tudományos Akadémia Lendület fiatal kutatói programjára benyújtott pályázatom sikere lehetővé tette Magyarországra való hazatérésemet 2009 októberében. A legtöbb kutató néhány, adott esetben több kontinensen betöltött posztdoktori állás után kerül abba a helyzetbe, hogy egyetemeken, kutatóintézetekben meghirdetett határozatlan idejű kinevezést már jó eséllyel megpályázhasson, ám a verseny igen nagy, és csak a legjobbak jutnak el az állandó állás biztos kikötőjébe.

Óriástávcsövek, űrteleszkópok, (táv)észlelés

A megismerés határait ostromló modern csillagászati megfigyelések mindig is a létező legnagyobb fénygyűjtőképességű, érzékenységű, spektrális és térbeli felbontóképességű stb. műszereket igényelték. Ma már a 2?4 m-es tükörátmérőjű műszerek szakmai szempontból a kis vagy közepes kategóriát testesítik meg, miközben 6?10 m-es óriástávcsövekre (például 10 m-es Keck I és II, a 8 m-es kategóriába tartozó ESO Very Large Telescope négy egysége, a Gemini és Subaru teleszkópok, a 6,5 m-es Magellantávcsövek, az arizonai MMT) megfigyelőprogramok százait javasolják nemzetközi kutatócsoportok. Az űrbe telepített távcsövek (Hubble, Spitzer, Chandra stb.) még ettől is nagyobb versenyt generálnak a szakmai közösségben. A távcsőidő a csillagászati obszervatóriumok legnagyobb értéke, ami bizonyos esetekben óránként dollárezrekben is konkrétan kifejezhető (például az Angol- Ausztrál Obszervatórium 1,2 m-es UK Schmidt-távcsövének egy éjszakányi igénybevétele mintegy 400 ezer Ft-ba kerül). A legtöbb helyen a távcsőidőt pályázati rendszerben ítélik oda, a nyertes pályázóknak pedig nem kell fizetniük a műszerhasználatért. Cserében viszont pontosan kidolgozott tudományos tervet kell elkészíteni, amit a távcsőidőosztó bizottság tagjai elbírálnak, s a bírálatok alapján dől el, hogy egy adott, jellemzően 3?6 hónapos időszakban ki hány órányi vagy éjszakányi távcsőidőt kap. A jól felszerelt obszervatóriumok általában legalább 2-3-szor több távcsőidőre kapnak igényt, mint amennyi adható, de például a Hubble-űrtávcsőre a túljelentkezés akár 20-szoros is lehet. A hosszú átfutás miatt általában sok hónapra, néha évekre előre kell tervezni, ami nem mindig egyszerű feladat. Azt azonban talán sikerül érzékeltetni, hogy a megfigyelő csillagászok munkájának nagyon fontos része a nagyműszeres távcsőidő- pályázatok írása, ami évente több hullámban visszatérő tevékenység.

1. ábra. Lézeres műcsillagos mérés az északi Gemini teleszkóppal (Gemini Observatory/AURA)

 Sikeres pályázat esetén következik a konkrét megfigyelési terv végrehajtása. Ehhez egyre több esetben nem is kell odautazni a távoli tájak fényszennyezéstől mentes hegycsúcsaira telepített távcsövekhez. Például a 8,2 m-es Geminiteleszkópok (egy északon, a Hawaii-szigeteken, egy délen, Chilében) méréseinek döntő többségét a Gemini Obszervatórium csillagásza végzi el, aki az elfogadott programok égminőségi kritériumai és az ég aktuális állapota alapján helyben dönti el, hogy éppen melyik pályázati terv megfigyeléseit végzi el. A nagyon részletesen kidolgozott szabályok által vezérelt üzemmód lehetővé teszi, hogy mindig az éppen legalkalmasabb projekt kerüljön sorra, a program kutatói pedig interneten keresztül kapják meg a távcsővel felvett adatokat (1. ábra). Az űrtávcsöveknél értelemszerűen hasonló a mérések megvalósítása, csak az égbolt minősége helyett más paraméterek számítanak.

A számítástechnika és internetes telekommunikáció fejlődése nyomán egyre jobban terjed a távészlelés gyakorlata, főleg a kisebb méretű robottávcsövekkel. Ezek olyan teleszkópok, melyeket interneten keresztül lehet távirányítani, kezdve a kupola, vagy a távcsövet rejtő „doboz” kinyitásától az égi koordinátákra való pontos beálláson keresztül egészen a digitális képek felvételéig, a megfelelő szűrők kiválasztásáig, észlelés közbeni cseréjéig. A legtöbb mellett egy jól felszerelt meteorológiai állomás méri a szelet, a páratartalmat, a csapadékot, egy ég felé irányított webkamerán pedig a felhőtakartságot lehet ellenőrizni. A legfejlettebb robotok önállóan végzik a megadott méréseket, az éjszaka végén pedig a távcsövet, kupolát, műszereket készenléti állapotba helyezik vissza ? ezen az elven működnek például a Bakos Gáspár által rendkívül sikeresen vezetett HATNet exobolygó-kereső program autonóm robotműszerei (2. ábra).

2. ábra. HATNet robottávcsövek az arizonai Fred L. Whipple Obszervatórium területén (Bakos Gáspár felvétele, http://www.cfa.harvard.edu/~gbakos/HAT/)

Természetesen léteznek még klasszikus távcsöves megfigyelések is, melyekhez adott esetben sok ezer km-t kell utazni, majd megismerkedni a műszer használatával. A minimális távcsőméret, amelynél éjszakai asszisztens segít elvégezni a méréseket, 3,5?4 m, ennél kisebb tükörátmérőjű távcsöveken nagyon sokszor az észlelőnek egyedül kell az interneten és a kupolában elolvasható dokumentáció, esetleg az első éjszakán nyújtott személyes asszisztensi segítség alapján kitalálni, hogy hogyan hajthatja végre tervezett megfigyeléseit. A közben szerzett tapasztalatok kiterjednek a távcsövek, detektorok, optikai elrendezések és a számítástechnikai vezérlés minden csínjára-bínjára, ami az évek során egyre értékesebb műszertapasztalattá válva elősegítheti az újabb távcsőidőpályázatok sikeres megírását. A néhány éjszakányi távcsőidő alatt jó esetben az ég is derült, a mérések végén pedig digitális adathordozókra átmásolt adattömegekkel távozik a szerencsés csillagász. Az igazi munka pedig a munkahelyre visszatérve, az irodában zümmögő számítógépek előtt kezdődik, az utazás és a mérések fáradalmainak kipihenése után (3. ábra).

3. ábra. Kiss László és Derekas Aliz felvétele a Carina-köd centrális részéről. A hamisszínes kép alapjául szolgáló R (2 perc), V (4 perc) és B (8 perc) szűrőkön keresztül rögzített expozíciók 2005. január 11-én készültek a Siding Spring Observatory 1 méteres távcsövével. A képfeldolgozást Sárneczky Krisztián és Kiss László végezte. A látómező mérete 26x13 ívperc

Az emberpróbáló észlelésekre egyébként praxisomból a legszélsőségesebb példát 2005- ből tudom felemlíteni, amikor az Angol-Ausztrál Teleszkóppal 10 éjszakán át mértem a b Hydri Nap típusú csillag szoláris rezgéseit, módszereink tesztelésére pedig napközben a Nap rezgéseit mértem a kék égről szórt napfény színképeinek folyamatos felvételével (4. ábra).

4. ábra. A 3,9 m-es Angol-Ausztrál Teleszkóp nappali használata: a kék égről szórt napfény színképelemzésével kimérhetők központi csillagunk rezgései ugyanazzal a módszerrel, mint amit más csillagok szoláris oszcillációinál alkalmazunk (Kiss L. László felvétele)

A teljes menet alatt munkanapjaim délelőtt 11-től másnap reggel 6-ig tartottak, közben alig 5 órányi alvásszünettel, a program eredményeként pedig minden korábbinál pontosabban meghatároztuk a b Hydri szeizmikus tulajdonságait, valamint igazoltuk, hogy a Nap típusú csillagoknál alkalmazott módszerek a Napra visszaadják a más módszereket használó helioszeizmológia eredményeit.

Virtuális obszervatórium

A számítástechnika fejlődésének másik eredménye a digitális égboltfelmérési technika átütő sikere. Dedikált távcsövek automata üzemmódban soha nem látott mennyiségben és minőségben állítják elő az égbolt többhullámhosszú képét, változócsillagok százezreiről vesznek fel fénygörbéket, galaxisok és kvazárok millióit örökítik meg több színben és színképekkel is. A hatalmas adatmennyiség teljes feldolgozására senki nem vállalkozik, a programok vezetői általában csak egy-két tudományos kérdésre keresik a választ, miközben az adatok felhasználhatóságának csak az emberi találékonyság szab határokat. Így született meg a virtuális obszervatórium koncepciója, melynek lényege, hogy a földi és űrtávcsövek által készített mérések szabványos módon váljanak elérhetővé bárki számára, lehetővé téve a teljes elektromágneses színképen átívelő adatkombinálást, amivel teljesen új dimenzió nyílhat meg az égitestek vizsgálatában. Még nincsenek statisztikák, hogy hányan dolgoznak a mások által felvett adatok ilyen jellegű feldolgozásán, de a szakirodalomban egyre gyakrabban jelennek meg a virtuális obszervatórium elvére és eszközeire alapozó kutatások. Például változócsillagokra irányuló saját kutatásaimban a gravitációs mikrolencséket kereső OGLE és MACHO programok adatait ugyanúgy rendszeresen használom, mint az ASAS égboltfelmérő program méréseit, a 2MASS infravörös katalógusát, vagy az AAVSO vizuális megfigyeléseken alapuló fénygörbe-adatbázisát. A fejlődés irányait látva teljesen elképzelhetőnek tartom, hogy a következő évtizedek megfigyelési adatokat feldolgozó PhDhallgatói egyáltalán nem is kerülnek távcső közelébe, kutatásaikat szinte kizárólag publikus adatbázisokban fellelhető mérésekre alapozzák majd.

Számítástechnika éjjel-nappal

Találó kifejezés a csillagászati adatredukálás, aminek a valódi jelentését minden megfigyelő csillagász megtanulja első derült éjszakáját követően: a távcső mellett számítógéppel felvett megabájtok, gigabájtok, terabájtok (műszertől függően) fizikai jelentését sokszor mindössze néhány szám hordozza, s az adatok feldolgozása a sok milliószoros méretcsökkenést, azaz redukciót hozza magával. Szélsőséges esetben mindössze egy szám a teljes mérés eredménye (például egy változócsillag periódusa), amihez akár több gigabájtnyi nyers adatot át kell gyömöszölni a speciális programok torkán. Ha viszont a virtuális obszervatórium „műszereivel”, azaz speciális honlapokon keresztül jutunk adatainkhoz, akkor azok további elemzése igényli programok futtatását, módosítását, a kapott eredmények értelmezését. A csillagászatban elterjedt speciális programcsomagok közül több csak a Unix/Linux operációs rendszeren létezik, illetve a nyílt forráskódú operációs rendszerek költséghatékonyabb megoldást is adnak legtöbb számítástechnikai feladathoz, így alapfokú linux-ismeretekhez minden csillagász hozzájut. Valamilyen magasabb szintű programozási nyelv ismerete szintén előnyös, és általában pár év kutatómunka után ki is alakul óhatatlanul (természetesen minél előbb, annál jobb).

Tapasztalataim szerint a saját mérések feldolgozásánál az adatredukálás általában legalább annyi, de jellemzően sokkal több időt vesz igénybe, mint az észlelések elvégzése. Ez különösen akkor igaz, ha általunk korábban soha nem használt műszerrel dolgoztunk, amihez esetleg saját magunknak kell programokat írni vagy módosítani. A legnagyobb obszervatóriumok komplex célműszereihez léteznek szinte teljesen automatikus redukáló programcsomagok, a feladat tehát az ezekkel történt mérések feldolgozásánál elvben nem nehéz. Azonban valódi távcsőnél születő valódi adatokkal mindig van valami gond. A csillagászatban legelterjedtebb adatrögzítési mód az adatok FITS-formátumú fájlokban tárolása, amelyek szöveges fejléc és bináris adattest egységei. Ez szépen hangzik, de például a fejlécekben szereplő információk bizonyos esetben nem megbízhatók, esetleg tévesek, félrevezetők lehetnek. Egyedi fejlesztésű műszerrendszereknél (s melyik nem az?) gyakran több számítógéppel is kommunikál az adatrögzítő egység, s elképzelhető az is, hogy nem jó sorrendben, nem jól összepárosítva menti el az adatokat. Hónapokkal később ezeket rekonstruálni, a hibákat korrigálni nem mindig egyszerű. De ha minden tökéletes az adatfájlokban, még akkor is előfordulhat, hogy a valamilyen speciális adatkiolvasást és illesztéseket igénylő program ellenőrizetlen programágba fut bele, ami jobb esetben hibaüzenetet, roszszabb esetben számítógép-leállást vált ki, s olyankor még a redukáló programrendszerek csillagász (azaz amatőr programozó) fejlesztői is csak tanácstalanul állnak a probléma fölött - a megoldást pedig sokszor nekünk, a felhasználóknak kell megtalálnunk.

Publikálás

A kutatómunka véleményem szerint legnehezebb, ugyanakkor intellektuálisan a legnagyobb kihívást jelentő szakasza az eredmények közlése. Durván leegyszerűsítve: a műszer megméri, amit kérünk; az adatredukáló program kiszámít valamit az adatokból, ahogyan azt a programozó kódolta; a kapott számsorok asztrofizikai jelentésének kihámozása, majd a vizsgálat és az eredmények szakcikkben történő leírása és publikálása tisztán a mi feladatunk. Meggyőződésem, hogy a szakcikk szerkesztési folyamata, a szöveg írása, az ábrák, táblázatok elkészítése teremtő erővel hat a kutatás során ? miközben próbáljuk elmagyarázni a jövendő olvasónak kutatásunk lényegét, mi magunk is jobban megértjük a nyitott kérdéseket, az eredmények tényleges jelentését.

Minthogy a tudomány nyelve az angol, nem lehet eléggé hangsúlyozni, hogy angolul tudni kell. Angolul írjuk cikkeinket, távcsőidő-pályázatainkat, tartjuk előadásainkat nemzetközi szakmai összejöveteleken. Angolul kommunikálunk nem magyar nemzetiségű együttműködő partnereinkkel és angolul írjuk a posztdoktori álláspályázatainkat. Szakcikkeink olvasottságát és elfogadottságát is növelhetjük minél helyesebb angolsággal (a folyóiratok nyelvi szerkesztői sokszor csak a durva hibákat korrigálják, a legtalálóbb szóhasználat alkalmazása a szerzők felelőssége). Ma már az egyetemi oklevél feltétele valamilyen idegen nyelv középfokú ismerete, ám ne elégedjünk meg a nyelvtani kivételek memorizálását erőltető rendszer szintjével! Olvassunk, beszéljünk, kommunikáljunk minél többet angolul, mert enélkül a nemzetközi versenyben való helytállás teljesen esélytelen!

Nemzetközi együttműködés

Közhely, ám a tudományban halmozottan igaz: globális faluban élünk, ahol földrajzilag egymástól távol élő kutatók tökéletesen együtt tudnak működni érdekes problémák megoldásában. A vázolt, a távcsőidő-pályázattól egészen a publikálásig tartó kutatási ciklus nem légüres térben végzett magányos munka, hanem kutatócsoportok aktív közreműködésével zajló folyamat. A nemzetközi munkamegosztásnak köszönhetően ki-ki azt a részfeladatot végzi el, amelyhez a legjobban ért. Például megfigyelési program esetén a legtapasztaltabb észlelő odautazik a távcsőhöz, felveszi az adatokat. Gyakran már az adatok optimális redukálása is valaki más feladata, az elméletekkel való összevetést pedig a téma vezető szakértője végzi el. A kutatócsoport tagjai állandó kapcsolatban állnak egymással, a felvetődő problémákról és azok megoldásáról mindenki információhoz jut, s tanulhat belőle. A publikálás általában egy-két vezető szerző feladata, ám ideális esetben a szerkesztés során mindenki hozzájárul a közleményhez a saját maga által végzett munka leírásával, amit a vezető szerző(k) beépít(enek) a végső publikációba. Közben minden kezdődhet elölről egy újabb tudományos kérdés felvetésével és a megoldására tett javaslat kidolgozásával, bennünk pedig erősödhet az érzés, hogy ismét helyére tettünk egy mozaikdarabot a nagy képből.  


Természet Világa, Feltárul a Világegyetem, 2009
http://www.termeszetvilaga.hu/ 
http://www.chemonet.hu/TermVil/