Astrokladystyka

théo · 27 Kwietnia 2010

Jest to wprowadzenie to astrokladystyki, nowej metody analizowania obiektów astronomicznych, krótki artykuł na podstawie mojej pracy badawczej zrealizowanej z Observatoire Midi-Pyrénées w Tuluzie (załącznik).

Tylko dla zainteresowanych i zafascynowanych astronomią i pracą badawczą, czy też naukową. Miłej lektury.

Chciałbym rzucić trochę światła na jedną z nowych metod klasyfikowania ciał niebieskich w astronomii, rozwijaną między innymi we Francji. Być może niektórzy z Was znają już kladystykę. Jest to metoda klasyfikacji organizmów żywych oparta na pokrewieństwie. Chyba każdy widział drzewo ewolucyjne, gdzie każde gatunki tworzyły osobną gałąź ewolucyjną, a każda gałąź miała podgałęzie itd. Każdy osobnik wywodzi się z osobnika nadrzędnego jak choćby człowiek z małby. I jeżeli rozwiniemy to wielkie drzewo ewolucyjne, to okaże się, że wszystko pochodzi od bakterii, a te ostanie od jeszcze mniejszych organizmów.

Od niedługiego czasu astronomowie starają się zastosować tą metodę w astronomii do badania ciał niebieskich, z coraz to większym sukcesem. Aktualnie istnieją trzy metody klasyfikowania obiektów astronomicznych: przez ich wygląd, a więc na podstawie kilku cech, kilku znaków rozpoznawczych, kilku właściwości. Druga metoda to przez ich podobieństwo, a więc porównywanie wszystkich właściwości z innymi obiektami, by ustalić cechy nowego obiektu lub grupy obiektów. Jest to analiza skomplikowana. Trzecia i nowa metoda to właśnie astrokladystyka, która stara się na podstawie wszystkich cech danych obiektów ułożyć ich łańcuch ewolucyjny. Bowiem tak jak organizmy żywe się rozwijąją, mutują, ewoluują, tak i obiekty astronomiczne się zmieniają w czasie. Weźmy przykład galaktyki, która jest mieszanką skomplikowaną gazów, gwiazd i pyłów. Każdy fundamentalny element ewoluuje, a więc zmienią się w czasie w swoich właściwościach i rozmieszczeniu. I to właśnie te właściwości ewolucyjne pozwoliłyby opisać dokładnie galaktykę i przede wszystkim jej ewolucję w czasie. Astrokladystyka bazuje się właśnie na tych elementach, aby zregrupować obiekty astronomiczne w jeden scenariusz ewolucyjny.

Dwie fundamentalne sprawy: w astrokladystyce nie jest ważna wartość obserwacyjna, którą otrzymaliśmy, ale sposób w jaki fizyka wszystkich elementów pozwoliła uzyskać tą wartość. W astrokladystyce dwa obiekty są bliskie siebie ponieważ dzielą one ten sam scenariusz ewolucyjny.

Na początku tego roku miałem przyjemność pracować w Observatoire Midi-Pyrénées w Tuluzie nad scenariuszem ewolucyjnym gromad kulistych w galaktyce M81 (załącznik). Używając właśnie tej nowej metody, astrokladystyki, doszedłem do wielu ciekawych wniosków. Na samym początku trzeba było odnaleźć jak najwięcej gromad kulistych i odszukać wszystkie dostępne ich właściwości fizyczne, chemiczne, wizualne. Cieżka prawa poszukiwawcza. Mi udało się spozycjonować 72 gromady kuliste oraz zebrac koło 40 właściwości dla każdej gromady, m.in. pozycję, dystans, jasność w różnych filtrach, i przede wszystkim występowanie pierwiastów i związków chemicznych w danej gromadzie, ich mataliczność w porównaniu z helem.

Następnie należy szukać zależnośc pomiedzy danymi właściwościami, rysować wykresy jednej cechy z zależności od drugiej dla wszytkich gromad (załącznik). Tak naprawdę to, co poszukujemy, to nie obecność zależności, ale... jej brak. Jeżeli bowiem nie potrafimi znaleźć zależności pomiędzy jedną grupą, a drugą, oznacza to, że dane obiekty nie są w tej samej gałęzi ewolucyjnej, są one na różnym stadium rozwoju. Analogia: łatwo znaleźć zależność pomiędzy człowiekem i szympansem, ale już trudniej pomiędzy człowiekiem, a... rybą.

Naszą rolą jest znalezienie tych cech, które różnią poszczególne gromady. Następnie istnieją potężne programy informatyczne, które przetworzą nasze spostrzeżenia, które wykreują każdą możliwą sytuację ewolucyjną (jest ich miliardy i jest to proces bardzo czasochłonny, załącznik), aby w końcu stworzyć zoptymalizowane drzewo ewolucyjne posiadające kilka gałęzi (analogia: osobna dla człowieka, osobna dla ryb). I to do nas należy końcowa interpretacja, czy też dalsza modyfikacja drzewa. Należy zauważyć, że dane otrzymane drzewo musi być zgodne dla wszystkich parametrów porównywanych, w przeciwnym wypadku trudno mówić o jakiejś ewolucji. Po wielu dniach pracy sam otrzymałem jedno z lepszych drzew, które posłużyło mi do dalszej analizy. Moje gromady zostały pogrupowane na przodków (ancetres) oraz na dwie gałęzie ewolucyjne (branche 1 et 2). Zobacz załącznik. Kolor sie referuje na metaliczność. Widzimy więc np. że przodkowie nie posiadają metaliczności, te gromany nie posiadają cieżkich metali bowiem powstały one w momencie kreacji galaktyki, są to elementy najstarsze i wię najbardziej prymitywne. Gromady kuliste z gałęzi pierwszej posiadają już kilka metali ciężkich, natomiast gromady z gałęzi drugiej są bardzo bogate w metale, powstały one więc najpóźniej, kiedy już galaktyka była sama w sobie bogata w metale, te elementy są najmłodsze.

Reasumująć, gromady kuliste „przodkowie” powstały jeszcze zamin utworzył się dysk galaktyczny i należą do tak zwanego halo galaktycznego. Warto zauważyć że ich średnia prędkość, którą wyliczyłem nie odpowiada wartościom oczekiwanym. I to można zrozumieć bowiem gromady z halo galaktycznego poruszają się po orbitach bardzo nierównych i odchylonych od płaszczyzny galaktyki, by lepiej zrozumieć ten problem, należało by robić rzuty prędkości na płaszczyznę galaktyki, ta ostatnia M81 sama jest obserwowania z Ziemi pod kątem, więc zaczyna się skomplikowanie, a wyniki nie korelują ze sobą...

Gromady kuliste z gałęzi pierwszej są usytuowane w pobliżu jądra galaktycznego. Posiadają już trochę ciężkich metali, bowiem zostały utworzone później niż gromady z halo. Ich jasność jest znacząca porównując z przodkami, starymi wygasłymi gromadami z halo i z gromadami z gałęzi drugiej, najmłodszej, gdzie to te gromady są ciągle w trakcie formowania się. Zobacz załącznik drugie drzewo, gdzie kolor odpowiada jasności. I tutaj kalkulując ich prędkość radialną dochodzimi do wyniku zgodnego z oczekiwanym, co tylko potwierdza słuszność naszych obserwacji i wniosków.

Gromady z gałęzi drugiej są najmłodsze, ciagle w trakcie formacji. Znajdujemy je z ramieniach galaktyki. Są one bogate w metale tak jak sama galaktyka jest w nie bogatsza wraz z wiekiem. Ich prędkość jest zgodna z oczekiwaną, dwukrotnie większa od prędkości gromad z pobliża jądra galaktycznego.

Podsumowyjąc, porównując setki cech i właściwości danych obiektów jesteśmi w stanie zrekonstruować drzewo ewolucyjne danych obiektów, poznać lepiej ich naturę, ewolucję, czego nie moglibyśmy zrobić np. obserwując samą ich jasność lub odległość. Potężne komputery zajmują się obliczeniami, by pokazać nam tą wersję drzewa najbardziej słuszną, zgodną z danymi.

Jest to takie super streszczenie astrokladystki i mojego przykładu badania galaktyki M81. Istnieją bowiem potężne książki kilkusetstronicowe, które traktują ten temat. Nie wiem, czy wypowiedziałem się w sposób klarowny, trudno mi jest tłumaczyć z francuskiego na polski, mam nadzieję, że zostałem zrozumiany. Ostatnia grafika przedstawia rozróżnienie moich gromad kulistych z zależności od grupy i od położenia w galaktyce. Widzimy więc, gdzie są przodkowie, gdzie są nowe gromady etc.

Nie wchodziłem w ogóle w detale tej analizy, ale jeżeli ktoś ma pytanie, jest zainteresowany, to chętnie podeślę jakieś materiały, publikacje naukowe, lub też odpowiem na pytania.

Pozdrawiam

Marcin

szuu · 28 Kwietnia 2010

terminologia wydaje mi się trochę naciągana, bo przecież "stara gromada" nie jest przodkiem "nowej gromady", a tylko powstawały w stopniowo zmieniających się warunkach i te zmieniające się w czasie warunki odcisnęły swoje ślady na parametrach obiektów. drzewa rysowane na podstawie grupowania obiektów zgodnie z tymi parametrami pokazują podobieństwo, pokazują wspólne pochodzenie, ale przecież nie dziedziczenie. no ale... najwyraźniej astrokladystyka rządzi się swoimi prawami

chociaż... możnaby też powiedzieć że określone gromady są dziećmi swojego czasu, to dałoby ten brakujący element pokrewieństwa :flirt:

tak czy inaczej, to ciekawe że w biologii i w astronomii stosuje się tak podobne metody. nigdy bym się tego nie spodziewał.

dzięki że podzieliłeś się z nami tą wiedzą

Hans · 28 Kwietnia 2010

Proste pytanie.

Może nie do końca dobre na przykładzie gromad kulistych, ale postaram się wypowiedzieć to w sposób jednoznaczny. Czy astrokladystyka pozwala również symulacyjnie przewidywać dalszy rozwój badanych obiektów? W sensie pozwala jedynie poznać ich przeszłą drogę ewolucyjną, czy też daje szanse na przewidywania co do dalszych etapów dróg rozwoju obiektu? Może na przykładzie, czy bazując tylko na posiadanym "drzewie" np. czarnych dziur teoretyk jest w stanie przewidzieć kolejną grupę obiektów które do tej pory nie zostały zaobserwowane lub dopiero się pojawią? Jeżeli tak, to czapki z głów.

Jeszcze pomocnicze pytanie, czy astrokladystyka pozwala na uwzględnianie "gałęzi wymarłych" Np. w przypadku gwiazd, może były jakieś ich formy obecnie nie występujące (choćby wymarłe w szybkim tempie z racji supermasywności) nie występujące obecnie i nie dające się sklasyfikować metodą obserwacyjną? Jeśli tak, to na jakich zasadach uwzględniane są takie obiekty? Teoretyk mówi, "wyszło mi, że tu była jeszcze jedna gałąź której obecnie już nie ma bo..."?

I na sam koniec, czy przypadkiem diagram Hertzsprunga-Russella nie jest pradziadkiem całej tej dziedziny?

Pozdrawiam.

ZbyT · 28 Kwietnia 2010

a ja chciałbym wiedzieć:

1. czym ta klasyfikacja różni się od koncepcji populacji gwiazdowych?

2. już w latach 60' ubiegłego wieku stwierdzono, że gromady kuliste Drogi Mlecznej różnią się wieloma cechami np. metalicznością czy położeniem gałęzi horyzontalnej oraz własnościami kinematycznymi. Na czym więc polega nowatorstwo tego podejścia?

pozdrawiam

ekolog · 28 Kwietnia 2010

do dwóch pytań Zbyta dodam trzecie. Powiedz coś więcej co "wie" program komputerowy, który tak dużo Wam pomagał. Czy aby tam nie ma albo za duzo dowolności albo za dużo narzuconych-skostniałych poglądów na kolejne etapy życia "dużych skupisk barionów w przestrzeni" (czyli po prostu schematy A1->B1->C1...; B2->C3->D4.... )

dlaczego pytam - bo na przykład - programy przewidujące pogodę niekiedy dają bardzo różną prognozę przy małej zmianie niektórych parametrow początkowych (danych obserwacyjnych) no i wtedy to sa - kiepskie, a winowajcą jest {zapewne} projektant

Edytowane 28 Kwietnia 2010 przez ekolog

szuu · 28 Kwietnia 2010

tak naprawdę to program nie musi nic wiedzieć - i bardzo dobrze, bo nie narzuca żadnych założeń

http://en.wikipedia.org/wiki/Cluster_analysis

http://pl.wikipedia.org/wiki/Analiza_skupień

programy przewidujące pogodę niekiedy dają bardzo różną prognozę przy małej zmianie niektórych parametrow początkowych (danych obserwacyjnych) no i wtedy to sa - kiepskie, a winowajcą jest {zapewne} projektant

to nie świadczy o kiepskości programu a wręcz przeciwnie - mała zmiana warunków wejściowch naprawdę daje inny wynik bo system jest chaotyczny.

świadczy tylko o kiepskości meteorologa który interpretowałby taką prognozę i zapomniał wziąć powyższe ograniczenie pod uwagę. ale to już zupełnie inny temat...

théo · 28 Kwietnia 2010

Szuu:

By dobrze zrozumieć atrokladystykę należy odejść od pojęcia kladystyki w biologii i nie używać terminologii "przodek", oczywiście stara gromada nie jest przodkiem nowej gromady, a tylko one obie powstawały w stopniowo zmieniających się warunkach i te zmieniające się w czasie warunki odcisnęły swoje ślady na parametrach obiektów. Masz całkowicie rację Szuu. Ja tylko powtórzę dwie fundamentalne sprawy: w astrokladystyce nie jest ważna wartość obserwacyjna, którą otrzymaliśmy, ale sposób w jaki fizyka wszystkich elementów (te zmieniające się warunki) pozwoliła uzyskać tą wartość. W astrokladystyce dwa obiekty (dwie gromady) są bliskie siebie ponieważ dzielą one ten sam scenariusz ewolucyjny (a nie dlatego, że jeden jest "przodkiem" drugiego). Mam nadzięję, że to jest teraz bardziej jasne.

Oczywiście może być tak, że te zmieniające się warunki spowodowały zderzenia się gromad, galaktyk, a co za tym idzie nie wykluczamy możliwości realnego pokrewieństwa. Jednak są to tylko spekulacje.

Hans:

Astrokladystyka nie pozwala na przewidywanie dalszego rozwoju obiektów. Tak naprawdę zawszę można przewidywać, robić kalkulację i przede wszystkim symulacje, ale nie bazują się one na astrokladystyce. Nawet naukowcom z biologii także trudno powiedzieć, dla kogo człowiek będzie przodkiem... a co dopiero mówić o naukowcach z astronomii. Aktualnie astrokladystyka skupia się na gromadach kulistych i na galaktykach, mając wystarczającą ilość danych. O czarnych dziurach nic nie słyszałem...

Natomiast co do patrzenia w przeszłość to sprawa wygląda interesująco i bardziej skomplikowanie. Bowiem astrokladystyka może nam pozwolić zrozumieć lepiej to co się działo zanim galaktyki zaczęły się formować. Myślę tutaj o hipotetycznych gwiazdach populacji III, o których pisałeś. Według modelizacji, gwiazdy te występowały w formie bardzo masywnej i całkowicie ubogiej w metale, ich życie było bardzo krótkie i więc one już nie występują. Szukamy ich egzystencji w formie śladów, które mogły zostać po nich główne w gwiazdach które poprzedzały te z populacji III, w tak zwanych gwiazdach populacji granicznej II, które posiadają metaliczność rzędu 1/1000 naszego Słońca. Dlaczego ? Bowiem gwiazdy z populacji III kończyły życię jako supernowe, możemy zatem wykalkulować jaka ilość materii została wyrzucona w przestrzeń międzygwiezdną podczas eksplozji. Możemy zatem wykalkulować kompozycje chemiczną chmur gazowych wzbogaconych przez te eksplozje, i to właśnie z tych chmur powstałały gwiazdy populacji granicznej II i ich atmosfery. Jaka rola astrokladystyki w tym ? Przede wszystkim dobrze wytypować gałąź ewolucyjną, która następowała bezpośrednio po gwiazdach z populacji III, znająć tą gałąź i dokładne właściwości chemiczne i fizyczne, moglibyśmy się więcej dowiedzieć o gwiazdach populacji III tocząc takie same rozumowanie, ale wstecz.

Diagram Hertzsprunga-Russella przedstawia proces ewolucji gwiazd, je klasyfikuje w funkcji jasności i temperatury efektywnej. Jest to proces dobrze znany tak jak znamy dobrze proces starzenia się człowieka, ale nie mówi nam nic o "przodkach" i ewolucji gatunku. Ten diagram jest w porządku dla naszej epoki, dla naszego wieku Wszechświata. Możemy wziąć jedną gwiazdę i śledzić jej ewolucję. I jest ok. Astrokladystyka stara się jednak umiejscowić ewolucję wielu obiektów w danym kontekscie czasowym i miejscowym (jak choćby gromady w galaktyce, mój przykład). Czy przypadkiem diagram Hertzsprunga-Russella nie jest pradziadkiem całej tej dziedziny, trudno mi powiedzieć. W jakimś sensie tak, w jakimś innym sensie mówimy o dwóch różnych sprawach...

ZbyT:

Mam problem ze zrozumieniem twoich pytań. Wiadomo już od kilkudziesięciu lat tak jak mówisz, że gromady różnią się właściwościami. Jednak jest to najbardziej prymitywna metoda porównywania obiektów. WIadomo, że ryba różni się od człowieka, jest to oczywiste. To co nie jest oczywiste, to związek pomiędzy nimi w kontekscie biologii czy też astronomii. Metoda porównywania bierzę pod uwagę kilka cech charakterystycznych (morfologia, jasność widnowa, aktywność nuklearna) ale nie pozwala na realistyczną kartografię różnorodności obwerwowanej we Wszechświecie. Ta metoda standardowa nie zastanawia się nad związkami pomiędzy właściwościami ani też nie sytuuje ich w kontekscie czasu i przestrzeni. Jest jeszcze inna metoda badania obiektów astronomicznych, tak zwana "multivariate distance analysis", o której pisał Szuu w drugim poście (jest o niech trochę napisane tutaj: http://en.wikipedia.org/wiki/Cluster_analysis). Ta metoda jest ok ale skupią się raczej na interpetacji fizycznej zgrupowań danych obiektów w całość. A więc z jednego obiektu (diagram HR czy też pierwsza metoda) dochodzimy do skomplikowanych analiz matematycznych wielu grup obiektów. Astrokladystyka ma na celu rozwinięcie tych dwóch metod dodająć kontekst czasu i przestrzeni.

Ekolog:

Program nie posiada żadnych "narzuconych-skostniałych" poglądów, ważna kwestia: program jest tylko pomocą, bo to człowiek interpretuje i zmienia właściwości. Jedną z rzeczy, którą podaje się jako zmienną startową, jest wybór obiektu najstarszego, co nie jest problemem, na podstawie tego program stara się wykształtować całą ewolucję obiektów analizowanych. Analizując X obiektów posiadających Y właściwości każdy, program stara się tak ułożyć drzewo, by zmiany każdej właściwości każdego obiektu w funkcji czasu były jednolite i nie chaotyczne. Przy X obiektów i Y właściwościach i Z formach drzewa, które może być dowolne tak naprawde, liczba kombinacji do przeanalizowania jest astronomiczna, i czas na kalkulacje niezwykle długi. Potem człowiek sam musi sprawdzić drzewo i je zmodyfikować jeżeli widzi jakiś błąd, przemiścić gałąź, utworzyć nową. program daje ogólną ideę, człowiek ją obrabia. W moim przykładzie otrzymane drzewo jest całkiem dobre bowiem gałąź 1 jest odmienna zarówno od przodków jak i od gałęzi drugiej jeżeli chodzi o dwie badane właściwości (metaliczność i jasność). O żadnym schemacie nie ma mowy, raczej o znalezienie całości w chaosie...

[ENG] Dla wszystkich zainteresowanych polecam ten link: http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/41/67/33/PDF/GalaxiesandCladistics2009.pdf (strona 7 i cały dokument). Na rynku są dostępne także książki traktujące ten temat jak choćby http://www.springer.com/life+sciences/book/978-3-642-00951-8.

Mam nadzieję, że rozjaśniłem nieco problem. Należy zauważyć, że ja nie jestem ekspertem w tej dziedzinie, ale tylkoo miałem okazję pracować ze specialistami światowej klasy nad tym projektem. Czekam na ewentualne pytania.

Pozdrawiam serdecznie

Marcin