آشنایی با رصدخانههای مجازی (۱)
آروین صداقت‌کیش
با اختراع ابزار باری جفت شده به عنوان آشکارسازی موثر و همه‌گیر و ثبت دادههای نجومی در دهه‌ی هفتاد سده بیستم، با این وسیله توان جمع آوری دادهی ابزارهای نجومی به شکلی شگفت آور افزایش یافت. همچنین پیشرفت دیگر آشکارسازها افزایش تلسکوپ‌های موجود پیشرفت نجوم رادیویی و … عواملی بودند که باعث افزایش انباشتگی اطلاعات نجومی شدند. همان‌طور که در شکل ۱ دیده میشود توان جمع‌آوری داده در طول سه دهه‌ی پایانی قرن بیستم برای اطلاعات فراهم آمده از ابزار باری جفت شده با تبعیت از قانون مور (تقریبا دوبرابر شدن در هر ۱۸ ماه) افزایش یافته است. نتیجه‌ی تغییر این توانایی در شکل ۲ و افزایش حجم اطلاعات در آرشیو «اسو» برای مدت زمانی یک دهه، مشخص است.
شکل ۱ ( با واحد مترمربع برای شیشه‌های عکاسی و گیگا پیکسل برای CCDها )
شکل ۲
افزایش حجم اطلاعات بدست آمده از رصدهای نجومی از یک سو و وابستگی هر چه بیشتر محاسبات علمی و ذخیره و بازیابی اطلاعات به رایانه‌ها باعث شد تا دنیایی مجازی در انباره‌های رایانه‌ای به‌وجود بیاید. در این دنیا به ازاء هر جسم رصد شده اقلام اطلاعاتی وجود دارد. پس می‌توان تصور کرد اجرام آسمانی به صورت اطلاعات در دنیایی مجازی نگه‌داری می‌شوند. برای استفاده‌ی دوباره از این اطلاعات در دنیای مجازی لازم بود آن‌ها دوباره «رصد» شوند، اما نه به مفهوم مرسوم. اگر دنیایی که قرار است رصد شود دنیای مجازی است، ابزار رصد آن هم باید متناسب با آن دنیا باشد. یک رصدخانهی مجازی وسیله‌ای برای رصد کردن چنین دنیایی است.
در سال‌های پایانی سده‌ی گذشته چند مشکل در این دنیای مجازی روی داد که حضور رصدخانههای مجازی به شکل امروزی را اجتناب ناپذیر کرد که مهمترین آن‌ها افزایش داده‌ها و پراکندگی گسترده‌شان در فهرست‌ها و پایگاه دادهای مختلف (با قالب‌های ذخیره سازی متفاوت) بود. همزمان با توسعه‌ی شبکه‌ی جهانی اینترنت این امکان به‌وجود آمد که دادههای نجومی را از طریق یک شبکه‌ی کامپیوتری، در هر کجای دنیا که قرار داشتند رصد کنند. به همین دلیل جمعی از دانشمندان ایالات متحده‌ی امریکا در سال ۱۹۹۹ و ۲۰۰۰ در دو گزارشی رسمی نیاز به ایجاد این فناوری را یاد‌آور شدند.
تا این زمان کلیه‌ی ابزارهای ایجاد چنین فناوری‌ای به‌قوه وجود داشتند، حال لازم بود با سرهم کردن آن‌ها فناوری رصدخانههای مجازی متولد شود. پیش از این گزارش‌های رسمی شبکه‌های رایانه‌ای مخصوص استفاده و پردازش دادههای نجومی در دانشگاه‌ها و رصدخانهها به صورت پراکنده وجود داشت. از سوی دیگر پایگاه‌های بزرگ اطلاعاتی نیز در جاهای مختلف موجود بودند. حال تنها لازم بود آن‌ها با یکدیگر رابطه برقرار کنند و به شکل یک موضوعیت یک‌پارچه در آیند. این سرآغاز شکل‌گیری مفهوم رصدخانههای مجازی بود.
یک رصدخانهی مجازی مفهومی است که در دنیای رایانه‌ای قابل پیاده سازی است. این فناوری به طور عام دو هدف مهم را دنبال می‌کند: ۱- آسان کردن دسترسی به اطلاعات که به دلیل افزایش حجم تقریبا جستجو ناپذیر شده بودند. ۲- فراهم آوردن امکان پردازش این اطلاعات برای عموم دانشمندان/علاقه‌مندان از نقاط مختلف که این نیز خود تابعی از افزایش حجم اطلاعات و نیاز به بیشتر شدن توان پردازشی به همان نسبت است. بنابراین رصد‌خاده‌ی مجازی را می‌توان فن‌آوری دانست که کلیه‌ی منابع دادهای در دسترس را با ابزارهای پردازش به یکدیگر از طریق شبکه‌ی جهانی اینترنت متصل می‌کند.
بنا بر آنچه گفته شد اولین کار یک رصدخانهی مجازی یافتن دادهی مورد نظر از میان انبوهی از اطلاعات پراکنده‌ی موجود در پایگاه‌های مختلف است. در این‌جا هم مانند شبکه‌ی جهانی هیچ مرکزی وجود ندارد (هر چند هنوز در مورد دادههای نجومی مرکزیت بیش از صفحات عمومی در اینترنت است)، پس باید این فن‌آوری بتواند جستجویی موثر میان انبوه اطلاعات انجام داده و نتیجه را در اختیار درخواست کننده قرار دهد. مسئله‌ی مهم در پیاده‌سازی این بخش رعایت سادگی است. بیشتر استفاده کنندگان این فن‌آوری را دانشمندان تشکیل می‌دهند بنابراین استفاده از آن باید به گونه‌ای باشد که آن‌ها مجبور به طی مراحل پیچیده‌ی رایانه‌ای برای دریافت اطلاعات درخواستی نباشند. برای مثال در روش جستجوی CONE (که یکی از روش‌های مرسوم جستجو در رصدخانههای مجازی است) کافی است مختصات یک نقطه از آسمان و شعاع دایره‌ای اطراف آن که درخواست شده، وارد شود تا فهرستی از دادههای قابل دسترسی (که در آن دایره قرار می‌گیرند) در اختیار قرار گیرد و پس از انتخاب دریافت شود. یا در روش «دسترسی آسان به تصویر» (Simple Image Access) (2) با وارد کردن همین اطلاعات فهرستی از تصاویر قابل دسترسی را در اختیار می‌گذارد. 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 دلیل افزایش حجم اطلاعات و توانایی رایانه‌ها در انجام داده‌گیری خودکار، رصدخانههای مجازی به‌گونه‌ای طراحی می‌شوند که به صورت Web Service عمل کنند. یعنی درگاه‌های ورودی و خروجی اطلاعات‌شان بتواند با برنامه‌های طراحی شده‌ی کاربران جفت شده و بدون دخالت انسان رد و بدل اطلاعات کنند. این کار باعث میشود که برای دریافت اطلاعات نیازی به استفاده اجباری از ابزارهای طراحی شده‌ی خود رصدخانه نباشد. این موضوع دو حسن دارد: یکی این‌که برنامه‌های طراحی شده‌ی دانشمندان تیم‌های تحقیقاتی بدون واسطه از داده‌ها استفاده می‌کند و مرحله‌ی اضافه‌ی انتقال داده از یک برنامه به برنامه‌ی دیگر از دید پنهان میشود. دوم آن‌که بیشتر این ابزارهای طراحی شده می‌تواند به صورت بخش جدیدی از رصدخانه مورد استفاده قرار گیرد و به این ترتیب با استفاده از نیروی کار گروه‌های فعال، رصدخانه نیز کامل‌تر شود.
رصدخانههای مجازی تنها ابزار داده‌یابی نیستند، تفاوت عمده‌ی آن‌ها با ابزارهای جستجوی معمولی در پایگاه‌های نجومی پیشین، در پردازش داده‌ها است. یک رصدخانهی مجازی همزمان امکان جستجو و پردازش را ارائه می‌کند. چند مورد وجود دارد که پردازش در رصدخانههای مجازی باید آن‌ها را در بر گیرد. به دلیل وجود دادههای زیاد در طول موج‌های مختلف یکی از توانایی‌های یک رصدخانهی مجازی یافتن دادههای مربوط به جرم یا ناحیه‌ی مورد بررسی در تمامی طول موج‌های ممکن است. این موضوع کمک می‌کند تا دانشمندان با برهم نهی و مقایسه‌ی تصاویر در طول موج‌های مختلف، مطالب کشف نشده‌ای را آشکار کنند. این عمل پیشتر نیز به عنوان مطالعه‌ی موردی انجام می‌شده اما امروز یکی از خاصیت‌های اصلی یک رصدخانهی مجازی است. همین‌طور یک رصدخانهی مجازی می‌تواند در فهرست‌های مختلف به صورت ضربدری جستجو کرده و موراد تطابق یا عدم آن را مشخص کند. یعنی مشخص سازد در جایی که در یکی از فهرست‌ها یک جرم نجومی قرار دارد در فهرست دیگر چه اطلاعاتی موجود است. همچنین چون اطلاعات به صورت قطعات پراکنده در پایگاه‌های مختلف وجود دارد و نتیجه‌های پردازشهای دانشمندان نیز پس از کامل شدن خود تبدیل به دادهی در دسترس میشود؛ برای جلوگیری از اعمال تغییرات پراکنده که بعدا سردرگمی بزرگی در دادههای نجومی به وجود خواهد آورد، رصدخانهی مجازی باید بتواند نتایج را برروی اقلام مشترک پایگاه داده‌ها اعمال کنند. این خاصیت‌ها به ترتیب: نجوم چند طول موجی، تطابق ضربدری، اعمال نتیجه‌ی مشترک نام‌گذاری میشود.
مورد دیگری که در رصدخانههای مجازی وجود دارد امکان «داده‌کاوی» است.داده‌کاوی به مفهوم ترکیبی از پردازش و داده‌یابی است. هر چند به اندازه‌ی موراد پیشین حضورش در یک رصدخانهی مجازی ضروری نیست اما در بیشتر آن‌ها وجود دارد. این مفهوم نیز به دلیل بزرگی حجم دادههای پایگاه‌های اطلاعاتی به‌کار می‌رود و به برنامه‌هایی اطلاق می گردد که به دنبال روابط پنهان میان داده‌ها می‌گردند. این‌گونه برنامه‌ها با استفاده از الگوریتم‌های خوشه‌ای، هوش مصنوعی و شبکه‌های عصبی پیاده می‌شوند و سعی‌شان بر این است که بتوانند روابطی را میان داده‌ها آشکار کنند که با بررسی‌های اولیه امکان‌پذیر نیست. به نوعی آن‌ها جانشینان (هر چند در ابتدای راه) هوش انسانی در کشف و استنباط رابطه‌ها هستند. آن‌ها به این دلیل که دیگر از نظر زمانی انسان قادر نیست این کار را انجام دهد این وضیفه را بر عهده می‌گیرند. تفوت آن‌ها با الگوریم‌های معمولی جستجو یا حتا تطابق ضربدری این است که «نمی‌دانند» دنبال چه چیز خاصی می‌گردند (دستکم برای یافتن یک دسته از موارد برنامه‌ریزی شده‌اند نه یک مورد خاص) و قادرند بعد از هر بار یافتن توانایی خود را افزایش دهند.
سه مورد کلی داده‌یابی، پردازش و داده‌کاوی پایه‌ی مفهوم رصدخانهی مجازی امروزی را تشکیل می‌دهند. بر اساس زاویه‌ی نگاه طراحان هر یک از رصدخانهها به این مسائل معماری آن‌ها تفاوت خواهد کرد. برای مثال: زمانی که یک رصدخانهی مجازی پیشتر بر پردازش داده‌ها متمرکز باشد معماری آن پردازش‌گرا میشود و …
با این همه، پرسشی که برای متخصصان اخترشناسی پیش می‌آید این است که از یک رصدخانهی مجازی چه کاری بر می‌آید؟ یا به بیان دقیق‌تر در چه نوع پروژه‌هایی از آن استفاده می‌کنند؟ معمولا دو دسته از پروژه‌ها هستند که به خوبی به وسیله‌ی یک رصدخانهی مجازی قابل اجرا هستند: مطالعات روی دوره‌‌ای از زمان و مطالعات تطبیقی تعداد زیادی از اجرام. به دلیل این‌که داده‌گیری نجومی به شکل دقیق چندین دهه ادامه داشته (اخیرا برنامه‌هایی برای رایانه‌ای کردن آنچه از تصاویر پیش از ابزار باری جفت شده در دست اقدام است) امکان مطالعه‌ی تغییرات اجرام و نواحی آسمان در طول مدت نسبتا بلند (در مقایسه با عمر بشر) امکان‌پذیر است. همچنین بررسی تطبیقی تعدادی از اجرام و یافتن شباهت یا تفاوت‌های آن‌ها از فهرست‌ها و در طول موج‌های مختلف امکان‌پذیر است به گونه‌ای که همپوشانی این فهرست‌ها خلاء آن‌ها را پر کرده و محیط پیوسته‌ای از داده‌ها در اختیار می‌گذارد. از دیگر سو امکان پردازش توزیع شده یا به وسیله‌ی ابزار‌هایی که معمولا در دسترس همه‌ی دانشمندان نیست (مانند ابر‌رایانه) فراهم میشود، چرا که رصدخانهی مجازی به علت سختی جابجایی داده‌ها توابع پردازشی را به رایانه‌‌های سِروِر می‌‌فرستند. همچنین دانشمندان از طریق امکانات این فن‌آوری می‌توانند دادههای فرآوری شده‌ی خود را در دسترس دیگران بگذارند تا هم استفاده شود و هم مورد بررسی گروه‌های مستقل قرار گیرد. اخیرا نیز خدماتی برای در دسترس قرار دادن دادههای حاصل از شبیه‌سازی و پردازشهای کاملا نظری، در رصدخانههای مجازی به‌وجود آمده (حتا رصد‌خانه‌ای با هدف تمرکز بر این نوع فعالیت در حال طراحی است).
تاکنون ۱۶ کشور یا واحد بزرگ‌‌تر فراملی (مانند اروپا) و چند مرکز علمی کوچک‌تر اقدام به پیاده‌سازی این فناوری کرده‌اند. این موضوع که این تعداد رصدخانه (بیش از ۲۰) ظرف مدت کمتر از ۸ سال در دنیا طراحی شده است خود اهمیت این فن‌آوری را در دانش اخترشناسی امروز نشان می‌دهد. (۳)
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 این مقاله آمد انقلاب پنجم احتمالا در زمینه فراهم سازی امکان دسترسی و فرآوری اطلاعات روی داده است. انقلاب پنجم همان فن‌آوری 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 ۱۳۸۲ دیده شد. پس از آن در جریان اعلام برنامه‌ی کنام شماره ۲ 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 ۱۳۸۵ کارگاه دیگری با عنوان «آشنایی با رصدخانههای مجازی» در باشگاه نجوم توسط نگارنده برگزار شد و از آن پس این روند در طول سال ۱۳۸۶ و ۱۳۸۷ 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 ۱ 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 ۱۳۸۷) 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 ۱۳۸۶
دیدگاهتان را بنویسید