seti@home

Úvod

Časopis New Scientist nedávno otiskl zprávu, že projekt SETI@home nalezl signál, který by mohl mít svůj původ u mimozemšťanů. Opět se tak zvedla vlna zájmu o SETI@home. Jaké jsou naše šance? Co očekáváme, že na obloze uslyšíme? Jakými způsoby oblohu prohledáváme?

Začátky SETI

Pokud víme, lidé se odedávna zajímali o to, jestli je naše civilizace osamocená, nebo máme někde ve vesmíru společnost. Svého průkopníka v oblasti mají i Češi - už Nerudovy žáby kvákaly a staraly se o to, zdalipak jsou tam nahoře žáby taky. Až posledních několik desítek let ukázalo, že v nejbližším okolí žádnou podobnou civilizaci neobjevíme a musíme se poohlédnout v širším okolí.

Teoretický základ pro mezihvězdnou komunikaci položili P. Morrison a G. Coccony v roce 1959, kteří ukázali na vodíkovou spektrální čáru 1420 MHz. Téměř ve stejnou dobu začal první projekt pátrající po mimozemské civilizaci - Ozma. Astronom Frank Drake si spočítal, že s teleskopem, se kterým v tu dobu pracoval, by se mohl domluvit s podobným zařízením do vzdálenosti deseti světelných let. Po dobu dvou set hodin pak na 7200 kanálech širokých 100 Hz sledoval hvězdy Tau Ceti a Epsilon Eridani.

Od dob projektu Ozma probíhalo mnoho dalších (Cyclops, Phoenix, Serendip).

SETI@home je úzce spojené s projektem Serendip. Jeho cílem je přehlídka oblohy - teleskop nemusí být zaměřený na konkrétní místo. Přijímač je zavěšen nad anténou v Arecibu a zaznamenává tu část oblohy, na kterou je právě teleskop obrácený. Část dat z projektu Serendip se zpracovává v projektu SETI@home. Díky velikému počtu zapojených počítačů může SETI@home analyzovat data mnohem podrobněji, než kdykoliv jiný projekt.

Máme vůbec šanci něco slyšet?

Pro odhad našich šancí existuje už dlouhou dobu Drakeova rovnice. Dosazováním různých hodnot lze dojít k různým závěrům - od myšlenky, že jsme v galaxii sami až po závěr, že galaxie se technickými civilizacemi, podobnými té naší, jenom hemží.

N =
 N*
 fp
 ne
 fl
 fi
 fc
 fL
N* Počet hvězd v galaxii 4 * 1011
fp Zlomek hvězd, které mají planetární systémy 0.3
ne Počet planet v systému s podmínkami pro vznik života 2
fl Zlomek planet, na kterých život vzniká 0.3
fi Zlomek planet s inteligentním životem 0.1
fc Zlomek planet s komunikativní technickou civilizací 0.1
fL Zlomek doby života civilizace ve srovnání s vesmírem 10-8

Po dosazení uvedených hodnot nám vyjde, že v současnosti je v Galaxii přibližně deset civilizací na podobné či vyšší technické úrovni než je ta naše. Naše civilizace je velmi mladá. Zlomek vyjadřující dobu života naší civilizace je proto zvolen velmi malý. Pokud by se civilizace běžně dožívaly vysokého věku (desítky miliónů let), pak by se vypočítaný počet existujících civilizací rapidně zvyšoval.

Naše šance na zachycení signálu snižuje další aspekt, který v Drakeově rovnici není uvedený. Máme-li se považovat za typickou civilizaci, pak se dá předpokládat, že v galaxii i všichni ostatní pouze poslouchají a pouštějí si na svých počitadlech SETI@home, ale nikdo nevysílá - nikdo není ochotný trvale utrácet vysoké částky za provoz "kosmického majáku".

Doba trvání civilizace je v Drakeově rovnici velkou neznámou a přitom velmi ovlivňuje vypočítanou hodnotu. S uvedenými hodnotami to vypadá, že naše šance je téměř nulová. Pokud by se nám ale prokazatelně podařilo zachytit signály cizí civilizace, mohli bychom předpokládat, že číslo fL je ve skutečnosti mnohem vyšší a že civilizace našeho typu se dožívají vysokého věku. Znamenalo by to, že naše problémy například se znečištěním, jaderným zbrojením či terorismem pravděpodobně dokážeme vyřešit, a čeká nás dlouhá a šťastná budoucnost. Myslím, že i tento jediný aspekt - možnost odhadnout už dnes náš osud na desítky miliónů let dopředu - stojí za veškerou tu vynaloženou energii a námahu.

Globální komunikační kanál

Teleskop v Arecibu, který je pro projekt SETI@home využíván, je pevně svázaný se zemí a obsáhne pouze část oblohy. Tím je dáno, jak veliký kus oblohy můžeme prozkoumat. Na jakém kmitočtu bychom ale měli poslouchat? Elektomagnetické spektrum je velmi široké a sledování kompletního spektra řekněme od stovek kHz do stovek GHz je v současnosti výpočetně zcela nezvladatelné. Na nižších kmitočtech narážíme i na příliš malou velikost současných teleskopů - i kdybychom na nižších kmitočtech našli mimozemský signál, nepodařilo by se nám zjistit, odkud signál přichází. Je nějaký kmitočet, který by případná cizí civilizace mohla preferovat?

Jeden takový kmitočet se nabízí - 1420 MHz, pověstná vlna o délce jedenadvacet centimetrů. Je to vodíková spektrální čára - při přechodu elektronu na nižší energetickou úroveň vyzáří vodíkový atom jedno kvantum elektromagnetického záření právě o tomto kmitočtu. A protože je vodík zdaleka nejrozšířenější prvek ve vesmíru, dá se s určitou pravděpodobností očekávat, že jej budou znát i cizí fyzikové a také oni zvolí pro komunikaci tento kmitočet. Vlna jedenadvacet centimetrů tvoří všeobecně známý vesmírný kmitočtový standard a můžeme doufat, že ostatní zájemci o kontakt si vyberou právě tento kanál.

Na zemi je základem života voda. Je to možná jen náš vodíkový patriotismus, který nás nutí předpokládát, že i ostatní tvorové kdesi ve vesmíru budou mít stejnou chemickou podstatu. Na trochu vyšším kmitočtu (1640 MHz) září hydroxylová skupina OH. Ta spolu s vodíkem tvoří vodu - kmitočet 1420 a 1640 MHz nedaleko od sebe tvoří symbolický základ života. I to může být psychologický aspekt pro volbu tohoto kmitočtu.

Jak by vypadal signál od mimozemšťanů?

Vesmír je plný různých rádiových zdrojů. Kvazary, pulsary (první pozorování pulsaru bylo považováno za signály mimozemšťanů), radiační pásy planet (velmi hlučný je například i náš Jupiter na kmitočtech kolem 20 MHz), vrchní vrstvy hvězd (nejhlasitějším rádiovým zdrojem na obloze je naše Slunce). Jak bychom mohli odlišit signál mimozemské civilizace od přírodního zdroje?

Signál mimozemšťanů by byl pravděpodobně vysílán ve velmi úzkém kmitočtovém spektru. Nejužší pozorované spektrum vyzařované přírodním zdrojem je prý kolem 300 Hz (zajímalo by mě, co vysílá v tak úzkém pásmu). Takový signál je při hledání díky svému charakteru dosti nápadný. Zároveň by bylo vysílání ve velmi úzkém kmitočtovém pásmu výhodné z energetického hlediska - čím více energie se koncentruje do jednoho bodu na frekvenční ose, tím je signál ostřejší - může proniknout do prostoru s vynaložením menší síly (analogie s ostřím nože tak úplně nepokulhává - v přírodě se nic podobného noži také běžně nevyskytuje).

Teleskop v Arecibu je pevně svázaný se zemí - nelze jej směrovat. Kvůli otáčení země je jednotlivý rádiový zdroj zaměřen pouhých dvanáct sekund. Při přechodu ohniska teleskopu přes spojitý signál se v záznamu dat objeví gaussova křivka. To je jeden typ signálu, po kterém projekt SETI@home pátrá. Dalším typem signálu je trojice impulsů ve stejném časovém odstupu, takzvaný triplet. Třetím typem signálu je série impulsů. Konečně posledním typem je kombinace předchozích tří.

Všechno je navíc zkomplikováno doplerovým posuvem signálu. V důsledku otáčení země kolem své osy se signál 1420 MHz posouvá v kmitočtovém spektru o 0.15 Hz/sec. Pokud mimozemšťané vysílají signál ze svojí planety, bude jejich vysílání ovlivněno rotací jejich světa, o kterém ovšem nic nevíme. Signál se proto může pohybovat napříč kmitočtovým spektrem a v každý okamžik může být jinde. Odesilatelé ale mohou upravit kmitočet vysílaného signálu a provést tak korekci doplerova posuvu. Chování mimozemšťanů můžeme jen těžko odhadnout.

Zajímavý je pouze signál nalezený opakovaně

Projekt SETI@home generuje přibližně 15 miliónů reportů každý den. Je proto samozřejmě nemožné považovat všechny nalezené signály za vysílání mimozemšťanů.

Teleskop v Arecibu vidí stejné místo na obloze přibližně jednou za půl roku. Ke zpracování se posílá každé místo oblohy nejméně dvakrát. Signál začíná být zajímavý až při opakovaném pozorování. Podobných signálů se za dobu existence projektu nashromáždilo kolem dvou set.

Proto se teleskop znovu zaměřil na nalezené cíle a z dvou set nejpodezřelejších signálů zbyl pouze jediný, který byl pozorovaný opakovaně. Právě ten způsobil začátkem září takový rozruch.

Jak pracuje SETI@home

Projekt SETI@home hledá v kmitočtovém pásmu širokém 2,5 MHz okolo centrální frekvence 1420 MHz. Protože teleskop v Arecibu nemá širokopásmové připojení na internet, záznamy z teleskopu se ukládají na magnetické pásky (jde o mimořádně rozsáhlý soubor dat) a ty se pak posílají ke zpracování na univerzitu v Berkeley.

Celý kanál široký 2,5 MHz se rozdělí kousky široké zhruba 10 kHz a dlouhé 107 sekund. Jednotlivé balíky dat se potom opatří dalšími údaji o čase a místě pozorování a podobně, a takto se potom odesílají na zpracování jednotlivým uživatelům.

Aby se nestalo, že signál začne v jednom datovém balíku a skončí v dalším a díky tomu zůstane nepovšimnutý, balíky se mírně překrývají.

SETI@home prohledává balík pomocí fourierových transformací ve čtrnácti různě širokých kmitočtových kanálech. Nejužší kanál má 0.075 Hz, nejširší 1200 Hz. V nejužších pásmech je nízké časové rozlišení, proto se zde nedají aplikovat algoritmy pro hledání gaussových průběhů nebo hledání impulsů. Zato je v nejužších pásmech velmi dobrá citlivost a úzkopásmový signál, který by jinak zanikl v okolním šumu, je v nejužším pásmu dobře detekovatelný.

Protože signál k nám může dorazit s předem neznámým doplerovým posuvem v závislosti na rotaci země a cizí planety, je nutné systematicky korigovat možný doplerův posuv a opakovaně prohledávat celý balík dat znovu a znovu. Doplerův posuv se koriguje s krokem 0,002 Hz/s v rozmezí ±20 Hz. S krokem 0,296 Hz se signál prohledává v rozmezí -20 až -50 Hz/s a +20 až +50 Hz/s - v tomto rozmezí se navíc neprohledává nejužší kmitočtový kanál široký 0,075 Hz.

Právě kvůli opakovaným výpočtům trvá celé prohledávání jednoho datového balíku tak dlouho.

SETI@home našel gaussovský signál Program našel gaussovský signál. Zpět do centra se hlásí signály, které jsou ohodnocené známkou (fit) nižší než deset.

SETI@home našel trojici impulsů (triplet) Program našel trojici impulsů (triplet).

Okno xsetiathome je rozdělené na několik částí:

Data Analysis

Program zde vypisuje, čím se momentálně zabývá (počítáním FFT, počítáním doplerova posuvu, hledáním tripletů, pulsů, gaussovských signálů). Dále se zde můžete dozvědět, jak široký kmitočtový kanál se prohledává a jaká je použitá korekce doplerova posuvu. Ve spodní části informační oblasti se zobrazují nejlepší nalezené signály.

Data Info

Informace, ze které části oblohy, kdy a na jakém kmitočtu jsou data nahraná. Pro určení místa na obloze používají astronomové dvě souřadnice: deklinaci (úhel od zemského rovníku) a rektascenzi (úhel od jarního bodu na obloze).

V grafu ve spodní části okna program zobrazuje kmitočtové spektrum. Většinu signálů, které ohodnotí program jako podezřelé, v grafickém znázornění spektra stejně neuvidíte, protože budou utopené v šumu. Pokud se zde vyskytne nějaká viditelná anomálie, půjde s nějvětší pravděpodobností o silné pozemské rušení.

SETI@home v Linuxu

Zatímco ve Windows program SETI@home funguje jako klasický screensaver - pracuje pouze v době nečinnosti uživatele, v unixových prostředích je program SETI@home rozdělený do dvou procesů. Skutečný klient je určený pouze pro povelovou řádku.

Program je k dispozici pouze v binární podobě. Není třeba jej nějak instalovat, stačí rozbalit a spustit. Při prvním spuštění z vás program vytahá odpovědi na několik otázek a pak už se připojí k internetu, stáhne si balík dat a pustí se do hledání. Výpočet lze kdykoliv přerušit nebo spustit - výpočet pokračuje v místě, kde byl přerušen.

Pro prostředí X11 je v instalačním balíku přiložen program xsetiathome. Ten nedělá žádné výpočty, stará se pouze o zobrazení průběhu hledání. Pro výpočty není program xsetiathome důležitý (spíše zdržuje).

Abyste se mohli připojit k probíhajícímu výpočtu, je potřeba spustit program setiathome s parametrem -graphics (příkazem nohup se program spustí na pozadí a přežije i vaše odhlášení):

nohup setiathome -graphics &

Program přistupuje na internet standardním protokolem http. Je-li z počítače přístup na internet pouze přes proxy server, je zapotřebí to programu sdělit:

nohup setiathome -proxy moje-proxy:3128 -graphics &

Program nedokáže využít víceprocesorový stroj, ale není problém pustit více instancí. V takovém případě je ale nutné pouštět každý proces v samostatném pracovním adresáři.

Protože program může běžet na pozadí a nepotřebuje ke své činnosti obrazovku, můžete jej spustit i na počítači uloženém někde v serverovně ve sklepní části budovy. Protože ale program používá pro komunikaci s grafickým frontendem sdílenou paměť, nelze nastartovat grafickou nadstavbu na jiném počítači. Bohužel se mi nikdy nepodařilo ani připojit grafickou nadstavbu ke vzdálenému X serveru. Množství zobrazovaných informací je pravděpodobně tak velké, že je síť nestačí přenášet. Na serveru tak poběží program bez vizuální kontroly.

Odkazy

http://setiathome.ssl.berkeley.edu/
Domácí stránka projektu SETI@home
Has SETI@home Found a Signal?
Článek o signálu, který způsobil rozruch začátkem září.
The Planetary Society: SETI@home: how it all works
Článek o tom, jak SETI@home hledá mimozemské signály. Na konci je několik odkazů na další detailní články. Pokud se zajímáte o astronomii a příbuzné obory, určitě stránky planetary.org navštivte.
The Scientist and Engineer's Guide to Digital Signal Processing
Vynikající kniha o digitálním zpracování signálů. SETI@home sice většinu technik popsaných v knize nepoužívá, ale můžete se zde dozvědět více o Fourierových transformacích, na kterých je každý projekt typu SETI@home založený. Informace v knize jsou čtenáři předložené s velkým důrazem na praktické využití.
FFTW: Fastest Fourier Transform in the West
Knihovna pro výpočet Fourierových transformací. Pro využití frekvenční analýzy není nutné vědět, jak Fourierovy transformace pracují (a riskovat zastavení mozku).