آشنایی با رصدخانههاي مجازي (1)
آروین صداقت‌کیش
با اختراع ابزار باري جفت شده به عنوان آشكارسازي موثر و همه‌گير و ثبت دادههاي نجومي در دهه‌ي هفتاد سده بيستم، با اين وسيله توان جمع آوري دادهي ابزارهاي نجومي به شكلي شگفت آور افزايش يافت. همچنين پيشرفت ديگر آشكارسازها افزايش تلسكوپ‌هاي موجود پيشرفت نجوم راديويي و … عواملي بودند كه باعث افزايش انباشتگي اطلاعات نجومي شدند. همان‌طور كه در شکل 1 ديده ميشود توان جمع‌آوري داده در طول سه دهه‌ي پاياني قرن بيستم براي اطلاعات فراهم آمده از ابزار باري جفت شده با تبعيت از قانون مور (تقريبا دوبرابر شدن در هر 18 ماه) افزايش يافته است. نتيجه‌ي تغيير اين توانايي در شكل 2 و افزايش حجم اطلاعات در آرشيو «اسو» براي مدت زماني يك دهه، مشخص است.
شكل 1 ( با واحد مترمربع برای شیشه‌های عکاسی و گیگا پیکسل برای CCDها )
شكل 2
افزايش حجم اطلاعات بدست آمده از رصد‌هاي نجومي از يك سو و وابستگي هر چه بيشتر محاسبات علمي و ذخيره و بازيابي اطلاعات به رايانه‌ها باعث شد تا دنيايي مجازي در انباره‌هاي رايانه‌اي به‌وجود بيايد. در اين دنيا به ازاء هر جسم رصد شده اقلام اطلاعاتي وجود دارد. پس مي‌توان تصور كرد اجرام آسماني به صورت اطلاعات در دنيايي مجازي نگه‌داري مي‌شوند. براي استفاده‌ي دوباره از اين اطلاعات در دنياي مجازي لازم بود آن‌ها دوباره «رصد» شوند، اما نه به مفهوم مرسوم. اگر دنيايي كه قرار است رصد شود دنياي مجازي است، ابزار رصد آن هم بايد متناسب با آن دنيا باشد. يك رصدخانهي مجازي وسيله‌اي براي رصد كردن چنين دنيايي است.
در سال‌هاي پاياني سده‌ي گذشته چند مشكل در اين دنياي مجازي روي داد كه حضور رصدخانههاي مجازي به شكل امروزي را اجتناب ناپذير كرد كه مهمترين آن‌ها افزايش داده‌ها و پراكندگي گسترده‌شان در فهرست‌ها و پايگاه دادهاي مختلف (با قالب‌هاي ذخيره سازي متفاوت) بود. همزمان با توسعه‌ي شبكه‌ي جهاني اينترنت اين امكان به‌وجود آمد كه دادههاي نجومي را از طريق يك شبكه‌ي كامپيوتري، در هر كجاي دنيا كه قرار داشتند رصد كنند. به همين دليل جمعي از دانشمندان ايالات متحده‌ي امريكا در سال 1999 و 2000 در دو گزارشي رسمي نياز به ايجاد اين فناوري را ياد‌آور شدند.
تا اين زمان كليه‌ي ابزارهاي ايجاد چنين فناوري‌اي به‌قوه وجود داشتند، حال لازم بود با سرهم كردن آن‌ها فناوري رصدخانههاي مجازي متولد شود. پيش از اين گزارش‌هاي رسمي شبكه‌هاي رايانه‌اي مخصوص استفاده و پردازش دادههاي نجومي در دانشگاه‌ها و رصدخانهها به صورت پراكنده وجود داشت. از سوي ديگر پايگاه‌هاي بزرگ اطلاعاتي نيز در جاهاي مختلف موجود بودند. حال تنها لازم بود آن‌ها با يكديگر رابطه برقرار كنند و به شكل يك موضوعیت يك‌پارچه در آيند. اين سرآغاز شکل‌گیری مفهوم رصدخانههاي مجازي بود.
يك رصدخانهی مجازي مفهومی است كه در دنياي رايانه‌اي قابل پياده سازي است. اين فناوري به طور عام دو هدف مهم را دنبال مي‌كند: 1- آسان كردن دسترسي به اطلاعات كه به دليل افزايش حجم تقريبا جستجو ناپذير شده بودند. 2- فراهم آوردن امكان پردازش اين اطلاعات براي عموم دانشمندان/علاقه‌مندان از نقاط مختلف كه اين نيز خود تابعي از افزايش حجم اطلاعات و نياز به بيشتر شدن توان پردازشي به همان نسبت است. بنابراين رصد‌خاده‌ي مجازي را مي‌توان فن‌آوري دانست كه كليه‌ي منابع دادهاي در دسترس را با ابزارهاي پردازش به يكديگر از طريق شبكه‌ي جهاني اينترنت متصل مي‌كند.
بنا بر آنچه گفته شد اولين كار يك رصدخانهي مجازي يافتن دادهي مورد نظر از ميان انبوهي از اطلاعات پراكنده‌ي موجود در پايگاه‌هاي مختلف است. در اين‌جا هم مانند شبكه‌ي جهاني هيچ مركزي وجود ندارد (هر چند هنوز در مورد دادههاي نجومي مركزيت بيش از صفحات عمومي در اينترنت است)، پس بايد اين فن‌آوري بتواند جستجويي موثر ميان انبوه اطلاعات انجام داده و نتيجه را در اختيار درخواست كننده قرار دهد. مسئله‌ي مهم در پياده‌سازي اين بخش رعايت سادگي است. بيشتر استفاده كنندگان اين فن‌آوري را دانشمندان تشكيل مي‌دهند بنابراين استفاده از آن بايد به گونه‌اي باشد كه آن‌ها مجبور به طي مراحل پيچيده‌ي رايانه‌اي براي دريافت اطلاعات درخواستي نباشند. براي مثال در روش جستجوي CONE (كه يكي از روش‌هاي مرسوم جستجو در رصدخانههاي مجازي است) كافي است مختصات يك نقطه از آسمان و شعاع دايره‌اي اطراف آن كه درخواست شده، وارد شود تا فهرستي از دادههاي قابل دسترسي (که در آن دایره قرار می‌گیرند) در اختيار قرار گيرد و پس از انتخاب دريافت شود. يا در روش «دسترسی آسان به تصویر» (Simple Image Access) (2) با وارد كردن همين اطلاعات فهرستي از تصاوير قابل دسترسي را در اختيار مي‌گذارد. همچنین روش «دسترسی آسان به طیف» (Simple Spectrum Access) با وارد کردن اطلاعاتی مانند مورد قبلی فهرستی از داده‌های طیفی مرتبط را در اختیار کاربر قرار می‌دهد.
به دليل افزايش حجم اطلاعات و توانايي رايانه‌ها در انجام داده‌گيري خودكار، رصدخانههاي مجازي به‌گونه‌اي طراحي مي‌شوند كه به صورت Web Service عمل كنند. يعني درگاه‌هاي ورودي و خروجي اطلاعات‌شان بتواند با برنامه‌هاي طراحي شده‌ي كاربران جفت شده و بدون دخالت انسان رد و بدل اطلاعات كنند. اين كار باعث ميشود كه براي دريافت اطلاعات نيازي به استفاده اجباري از ابزارهاي طراحي شده‌ي خود رصدخانه نباشد. اين موضوع دو حسن دارد: يكي اين‌كه برنامه‌هاي طراحي شده‌ي دانشمندان تيم‌هاي تحقيقاتي بدون واسطه از داده‌ها استفاده مي‌كند و مرحله‌ي اضافه‌ي انتقال داده از يك برنامه به برنامه‌ي ديگر از ديد پنهان ميشود. دوم آن‌كه بيشتر اين ابزارهاي طراحي شده مي‌تواند به صورت بخش جديدي از رصدخانه مورد استفاده قرار گيرد و به اين ترتيب با استفاده از نيروي كار گروه‌هاي فعال، رصدخانه نيز كامل‌تر شود.
رصدخانههاي مجازي تنها ابزار داده‌يابي نيستند، تفاوت عمده‌ي آن‌ها با ابزارهاي جستجوي معمولي در پايگاه‌هاي نجومي پيشين، در پردازش داده‌ها است. يك رصدخانهي مجازي همزمان امكان جستجو و پردازش را ارائه مي‌كند. چند مورد وجود دارد كه پردازش در رصدخانههاي مجازي بايد آن‌ها را در بر گيرد. به دليل وجود دادههاي زياد در طول موج‌هاي مختلف يكي از توانايي‌هاي يك رصدخانهي مجازي يافتن دادههاي مربوط به جرم يا ناحيه‌ي مورد بررسي در تمامي طول موج‌هاي ممكن است. اين موضوع كمك مي‌كند تا دانشمندان با برهم نهي و مقايسه‌ي تصاوير در طول موج‌هاي مختلف، مطالب كشف نشده‌اي را آشكار كنند. اين عمل پيشتر نيز به عنوان مطالعه‌ي موردي انجام مي‌شده اما امروز يكي از خاصيت‌هاي اصلي يك رصدخانهي مجازي است. همين‌طور يك رصدخانهي مجازي مي‌تواند در فهرست‌هاي مختلف به صورت ضربدري جستجو کرده و موراد تطابق يا عدم آن را مشخص كند. يعني مشخص سازد در جايي كه در يكي از فهرست‌ها يك جرم نجومي قرار دارد در فهرست ديگر چه اطلاعاتي موجود است. همچنين چون اطلاعات به صورت قطعات پراكنده در پايگاه‌هاي مختلف وجود دارد و نتيجه‌هاي پردازشهاي دانشمندان نيز پس از كامل شدن خود تبديل به دادهي در دسترس ميشود؛ براي جلوگيري از اعمال تغييرات پراكنده كه بعدا سردرگمي بزرگي در دادههاي نجومي به وجود خواهد آورد، رصدخانهي مجازي بايد بتواند نتايج را برروي اقلام مشترك پايگاه داده‌ها اعمال كنند. اين خاصيت‌ها به ترتيب: نجوم چند طول موجي، تطابق ضربدري، اعمال نتیجه‌ی مشترك نام‌گذاري ميشود.
مورد ديگري كه در رصدخانههاي مجازي وجود دارد امكان «داده‌كاوي» است.داده‌کاوی به مفهوم تركيبي از پردازش و داده‌يابي است. هر چند به اندازه‌ي موراد پيشين حضورش در يك رصدخانهي مجازي ضروري نيست اما در بيشتر آن‌ها وجود دارد. اين مفهوم نيز به دليل بزرگي حجم دادههاي پايگاه‌هاي اطلاعاتي به‌كار مي‌رود و به برنامه‌هايي اطلاق مي گردد كه به دنبال روابط پنهان ميان داده‌ها مي‌گردند. اين‌گونه برنامه‌ها با استفاده از الگوريتم‌هاي خوشه‌اي، هوش مصنوعي و شبكه‌هاي عصبي پياده مي‌شوند و سعي‌شان بر اين است كه بتوانند روابطي را ميان داده‌ها آشكار كنند كه با بررسي‌هاي اوليه امكان‌پذير نيست. به نوعي آن‌ها جانشينان (هر چند در ابتداي راه) هوش انساني در كشف و استنباط رابطه‌ها هستند. آن‌ها به اين دليل كه ديگر از نظر زماني انسان قادر نيست اين كار را انجام دهد اين وضيفه را بر عهده مي‌گيرند. تفوت آن‌ها با الگوريم‌هاي معمولي جستجو يا حتا تطابق ضربدري اين است كه «نمي‌دانند» دنبال چه چيز خاصي مي‌گردند (دستكم براي يافتن يك دسته از موارد برنامه‌ريزي شده‌اند نه يك مورد خاص) و قادرند بعد از هر بار يافتن توانايي خود را افزايش دهند.
سه مورد كلي داده‌يابي، پردازش و داده‌كاوي پايه‌ي مفهوم رصدخانهي مجازي امروزي را تشكيل مي‌دهند. بر اساس زاويه‌ي نگاه طراحان هر يك از رصدخانهها به اين مسائل معماري آن‌ها تفاوت خواهد كرد. براي مثال: زماني كه يك رصدخانهي مجازي پيشتر بر پردازش داده‌ها متمركز باشد معماري آن پردازش‌گرا ميشود و …
با اين همه، پرسشي كه براي متخصصان اخترشناسي پيش مي‌آيد اين است كه از يك رصدخانهي مجازي چه كاري بر مي‌آيد؟ يا به بيان دقيق‌تر در چه نوع پروژه‌هايي از آن استفاده مي‌كنند؟ معمولا دو دسته از پروژه‌ها هستند كه به خوبي به وسيله‌ي يك رصدخانهي مجازي قابل اجرا هستند: مطالعات روي دوره‌‌اي از زمان و مطالعات تطبيقي تعداد زيادي از اجرام. به دليل اين‌كه داده‌گيري نجومي به شكل دقيق چندين دهه ادامه داشته (اخيرا برنامه‌هايي براي رايانه‌اي كردن آنچه از تصاوير پيش از ابزار باري جفت شده در دست اقدام است) امكان مطالعه‌ي تغييرات اجرام و نواحي آسمان در طول مدت نسبتا بلند (در مقايسه با عمر بشر) امكان‌پذير است. همچنين بررسي تطبيقي تعدادي از اجرام و يافتن شباهت يا تفاوت‌هاي آن‌ها از فهرست‌ها و در طول موج‌هاي مختلف امكان‌پذير است به گونه‌اي كه همپوشاني اين فهرست‌ها خلاء آن‌ها را پر كرده و محيط پيوسته‌اي از داده‌ها در اختيار مي‌گذارد. از ديگر سو امكان پردازش توزيع شده يا به وسيله‌ي ابزار‌هايي كه معمولا در دسترس همه‌ي دانشمندان نيست (مانند ابر‌رايانه) فراهم ميشود، چرا كه رصدخانهي مجازي به علت سختي جابجايي داده‌ها توابع پردازشي را به رايانه‌‌هاي سِروِر مي‌‌فرستند. همچنين دانشمندان از طريق امكانات اين فن‌آوري مي‌توانند دادههاي فرآوري شده‌ي خود را در دسترس ديگران بگذارند تا هم استفاده شود و هم مورد بررسي گروه‌هاي مستقل قرار گيرد. اخيرا نيز خدماتي براي در دسترس قرار دادن دادههاي حاصل از شبيه‌سازي و پردازشهاي كاملا نظري، در رصدخانههاي مجازي به‌وجود آمده (حتا رصد‌خانه‌اي با هدف تمركز بر اين نوع فعاليت در حال طراحي است).
تاكنون 16 كشور يا واحد بزرگ‌‌تر فراملي (مانند اروپا) و چند مركز علمي كوچك‌تر اقدام به پياده‌سازي اين فناوري كرده‌اند. اين موضوع كه اين تعداد رصدخانه (بيش از 20) ظرف مدت كمتر از 8 سال در دنيا طراحي شده است خود اهميت اين فن‌آوري را در دانش اخترشناسي امروز نشان مي‌دهد. (3)
در تاریخ نجوم رصدی تاکنون چند انقلاب بزرگ رخ داده است، نخستین بار زمانی که مفهوم رصد از نگاه کردن معمولی به آسمان جدا شد، بار دوم زمانی که ابزاری برای اندازه‌گیری و ثبت رصدهای انجام شده بوجود آمد، سوم زمانی که تلسکوپ‌ها به کمک چشم انسان آمدند و چشم‌ها مسلح شد، چهارم زمانی که رصد در طول موج‌هایی غیر از طول موج‌های پنجره‌ی مرئی و خارج از جو زمین امکان‌پذیر شد. بنا بر آنچه در اين مقاله آمد انقلاب پنجم احتمالا در زمینه فراهم سازی امکان دسترسی و فرآوری اطلاعات روی داده است. انقلاب پنجم همان فن‌آوري رصدخانه‌های مجازی است که در مدت زمان کوتاهی که از عمر آن می‌گذرد، تحولات چشمگیری را در بخش‌هایی از نجوم که وابستگی به جمع آوری اطلاعات رصدی دارد، موجب شده است.
پی نوشت
- این مقاله نگارش کوتاه شده‌ای از مقاله‌ی بلند مروری با عنوان «آشنایی با فناوری رصدخانه‌های مجازی» است، که برای چاپ در مجله‌ی نجوم آماده شده است. کسانی که مایلند مطالب تفصیلی در این مورد مطالعه کنند می‌توانند اصل مقاله را از یکی آدرس‌های (http://www.shirazastronomy.ir/content/category/5/14/32/lang,fa/ یا http://www.vogroup.ir/pages/papers1.html) دریافت کنند.
- استفاده از بیشتر رصدخانه‌های مجازی ممکن است هنوز هم برای منجمان غیر حرفه‌ای بیش از حد دشوار و پیچیده باشد. علاقه‌مندان برای آشنایی با نمونه‌ی ساده شده و محدودی از آن چه رصدخانهی مجازی نامیده می‌شود می‌توانند پایگاه اینترنتی gsfc.nasa.gov را در مرورگر خود بارگذاری کنند و پس از رفتن به بخش Query Form در قسمت Coordinates Or Source نام شیء یا مختصات محل مورد نظر خود (در آسمان) را وارد کنند. زمانی که بر اساس نام یا مختصات ورودی تصویری پیدا می‌شود، در حقیقت کاربر در حال استفاده از سرویس Simple Image Access است. برای دریافت راهنمایی‌های بیشتر در این مورد می‌توانید به وبگاه فارسی زبان «گروه علاقه‌مندان به رصدخانه‌های مجازی» با آدرس www.vogroup.ir مراجعه یا در صورت نیاز با آدرس [email protected] مکاتبه کنید.
- در ایران نیز در این مورد فعالیت‌هایی هر چند اندک انجام شده است. اولین اشاره‌های مستند به این موضوع در سخنرانی «دکتر یوسف ثبوتی» در انجمن فیزیک ایران در سال 1382 دیده شد. پس از آن در جریان اعلام برنامه‌ی کنام شماره 2 اشاره‌ای به یک کارگاه با عنوان رصدخانه‌های مجازی وجود دارد که قرار بود توسط «دکتر محمدتقی میرترابی» ارائه شود (که البته برگزار نشد). در پایان سال 1385 کارگاه دیگری با عنوان «آشنایی با رصدخانه‌های مجازی» در باشگاه نجوم توسط نگارنده برگزار شد و از آن پس این روند در طول سال 1386 و 1387 با چند سخنرانی و کارگاه دیگر از نگارنده در مرکز پژوهش‌های بنیادی، دانشگاه صنعتی شریف، دانشگاه شیراز و دانشگاه تهران و … با عنوان «رصدخانه‌های مجازی، کاربردها، چالش‌های علمی و فنی» ادامه یافت (مستندات بعضی از این سخنرانی‌ها در همان آدرس‌هایی که در پی نوشت شماره‌ی 1 آمده قابل دسترسی است). از سوی دیگر در همین مدت دکتر میرترابی نیز در جاهای دیگری سخنرانی‌هایی برای آشنایی دانش‌جویان و دانش‌آموزان با این فناوری نو برگزار کرد، که آخرین آن‌ها سخنرانی در باشگاه نجوم تهران (مهرماه 1387) است. از سوی دیگر همزمان با پیشرفت پروژه‌ی رصدخانهی ملی، رصد خانه‌ی مجازی ایران نیز در دستور کار قرار گرفت و پس از مدتی گروهی به سرپرستی دکتر محمدتقی میرترابی برای پیش بردن این پروژه تشکیل شد (این گروه هنوز مشغول فعالیت‌اند). همچنین برخی از دانش‌جویان علاقه‌مند دانشگاه تهران نیز گروهی با عنوان «علاقه‌مندان به رصدخانه‌های مجازی» درست کردند و اطلاعاتی پیرامون موضوع از طریق پایگاه اینترنتی خود (vogroup.ir) ارائه می‌کنند. از جمله دیگر کارهای انجام شده در این زمینه یک پروژه‌ی پایانی دوره‌ی کارشناسی فیزیک در دانشگاه کردستان است که با عنوان «آشنایی با رصدخانه‌های مجازی» توسط «الهام آهوخش» و به راهنمایی «دکتر کیومرث کرمی» انجام شده است.
آروین صداقت‌کیش
انجمن اختر شناسی شیراز
بهار 1386
