science >> Wetenschap >  >> Fysica

Onderzoekers wenden zich tot burgerwetenschappers voor hulp bij het identificeren van zwaartekrachtsgolven

Afgestudeerde studenten in de ruimtewetenschap Jordan Taylor, Jessica Pagina, en Ankur Shah maken deel uit van een team van wetenschappers die helpen bij het classificeren van zwaartekrachtsgolfsignalen die worden gedetecteerd door de Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory. Krediet:Michael Mercier | UAH

De term "crowdsourcing" bestaat pas de laatste tien jaar, maar gevallen van crowdsourcing - waarbij belanghebbenden het grote publiek inschakelen om de benodigde diensten te leveren - dateren van honderden jaren.

Een van de vroegst bekende voorbeelden is de Longitude Act, die in 1714 door het Britse parlement werd opgericht. In de hoop de frequentie van maritieme rampen te verminderen, de wet bood een aanzienlijke financiële beloning aan iedereen die een eenvoudige, praktische manier om de lengtegraad van een schip op zee nauwkeurig te bepalen. Het grootste bedrag ging uiteindelijk naar John Harrison, een autodidactische timmerman en klokkenmaker wiens mariene chronometer een revolutie teweeg zou brengen in de navigatie.

Onnodig te zeggen, crowdsourcing is exponentieel eenvoudiger geworden sinds de komst van internet. Met een klik op de knop, computergebruikers over de hele wereld - bekend als "burgerwetenschappers" - kunnen hydrologen helpen bij het analyseren van patronen voor het onderscheppen van bossneeuw, historici transcriberen uit de eerste hand rekeningen van leden van het Australische en Nieuw-Zeelandse legerkorps rond de Eerste Wereldoorlog, en chiropterologen identificeren de nachtelijke gedragspatronen van vleermuizen met een kleinere neus.

Nu Dr. Tyson Littenberg, een onderzoeksastrofysicus bij NASA's Marshall Space Flight Center en een adjunct-professor in het Department of Space Science aan de University of Alabama in Huntsville (UAH), hoopt dat ze hem ook kunnen helpen.

Bijna een decennium lang, Dr. Littenberg heeft in opdracht van de Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) naar de zwaartekrachtsgolfsignalen van zwarte gaten gezocht. En eind vorig jaar toen die signalen werden ontdekt, hij was een integraal lid van een team dat de geavanceerde computeralgoritmen ontwikkelde die nodig waren om de gegevens te doorzoeken. Hun bevindingen werden later gepubliceerd in meer dan een dozijn artikelen in zes verschillende tijdschriften, inclusief Fysieke beoordeling en de Astrofysisch tijdschrift .

Terwijl de ontdekking de laatste grote voorspelling van Einsteins algemene relativiteitstheorie van meer dan 100 jaar eerder bevestigde, echter, het introduceerde ook een nieuwe uitdaging:vanwege de extreme gevoeligheid van de twee belangrijkste observatoria van de LIGO - een in Hanford, Wassen., en de andere in Livingston, La. – de gegevens die ze verzamelen zijn gevoelig voor storingen van instrumentele en omgevingsbronnen. "Het wordt niet-Gaussiaanse ruis genoemd, maar we noemen ze glitches, " zegt dr. Littenberg, die een belangrijke rol speelde bij het faciliteren van Huntsville's lidmaatschap van de LIGO Scientific Collaboration. "We weten niet echt wat de oorzaak is, dus het is als het oplossen van een mysterie."

Dr. Littenberg hoopt dat de 'burgerwetenschappers' van Gravity Spy computers kunnen helpen om de subtiele verschillen tussen storingen en zwaartekrachtsgolven te herkennen. Krediet:Michael Mercier | UAH

Helaas, die storingen komen meestal ongeveer eens per seconde voor, de frequentie van zwaartekrachtgolven enorm overschaduwen; zo ver, zegt dr. Littenberg, "er zijn slechts twee detecties van zwaartekrachtgolven geweest in het hele menselijk bestaan." De tijdfrequentiekaarten van de glitches, of spectrogrammen, kan ook die van zwaartekrachtgolven nabootsen, waardoor het nog moeilijker wordt om onderscheid te maken tussen de twee met computers. Dus het komt toe aan de mens, die de subtiele verschillen tussen glitches en zwaartekrachtgolven beter kunnen herkennen, om computers te leren hoe ze dat moeten doen - en dat is precies waar crowdsourcing om de hoek komt kijken. "Het menselijk brein is nog steeds de beste computer ter wereld, " hij zegt.

Met dit in gedachten, Dr. Littenberg en zijn LIGO-collega's aan de Northwestern University begonnen begin 2015 de basis te leggen om de denkkracht van het publiek te benutten. Eerst namen ze contact op met de crowdsourcingsite Zooniverse, die bijna 50 "people-powered" onderzoeksprojecten herbergt. Met Zooniverse aan boord, ze rekruteerden vervolgens onderzoekers aan de Syracuse University en de California State University, Fullerton, om zich bij hun "glitch-oplossende" team aan te sluiten. "We hebben de juiste mensen bij elkaar gebracht met de juiste expertise, " hij zegt.

Nu zijn de resultaten van die inspanningen tot wasdom gekomen:samenvallend met de start van de tweede waarnemingscampagne van LIGO eind 2016, het crowdsourcingplatform "Gravity Spy" verliet de bèta en werd officieel gelanceerd. Gefinancierd door een subsidie ​​van de National Science Foundation, Gravity Spy geeft vrijwillige burgerwetenschappers de opdracht om LIGO-gegevens te doorzoeken en 'families' van storingen te identificeren die kunnen worden gesorteerd door algoritmen voor machinaal leren.

"We hebben een stuk of twintig families van storingen, maar de belangrijkste familie tot nu toe heet de blip-glitch, " zegt dr. Littenberg, verklaren dat, in tegenstelling tot zwaartekrachtsgolven, die altijd tegelijkertijd op beide detectoren verschijnen, blip-glitches verschijnen willekeurig. "Het zijn de meest gewilde storingen - en de vloek van ieders bestaan ​​- omdat ze vaak voorkomen, we weten niet wat ze veroorzaakt, en ze zien eruit als de zwaartekrachtsgolven die we proberen te detecteren. Dus nu gaat Gravity Spy ze voor ons oplossen!"

Zo ja, de beloning zal niet geldelijk zijn zoals het was voor John Harrison, uitvinder van de maritieme chronometer. Het zal eerder de voldoening zijn die voortkomt uit samenwerking om het begrip van de mensheid van het universum te vergroten. "Op dit moment weten we hoe de zwaartekrachtsgolven van het samensmelten van zwarte gaten eruit zien, " zegt Dr. Littenberg. "Maar als we eenmaal een goede greep kunnen krijgen op de glitches, we zullen een grotere kans hebben om nieuwe bronnen van zwaartekrachtsgolven te vinden - van supernova's en kosmische strings tot dingen die we ons nooit hadden kunnen voorstellen."

En dat, hij zegt, "is wanneer de echt opwindende wetenschap begint!"