26703715 مشاوره آموزشی رایگان

26703715 مشاوره آموزشی رایگان

دریچه بعدی به سوی جهان ما، چیست؟

Andrew Connolly

What's the next window into our universe?

Big Data is everywhere — even the skies. In an informative talk, astronomer Andrew Connolly shows how large amounts of data are being collected about our universe, recording it in its ever-changing moods. Just how do scientists capture so many images at scale? It starts with a giant telescope ...


تگ های مرتبط :

Astronomy, Space, Technology
در سال ۱۷۸۱ یک آهنگساز انگلیسی تکنولوژیست و ستاره‌شناس به نام ویلیام هرشل متوجه یک شئ در آسمان شد که مانند بقیه ستاره‌ها حرکت نمی‌کرد. و تشخیص هرشل مبنی بر اینکه یک چیزی متفاوت است، یک چیزی درست به نظر نمی‌رسد، منجر به کشف یک سیاره شد، سیاره اورانوس، نامی که نسل‌های بیشماری از کودکان را سرگرم کرده است، و سیاره‌ای که یک شبه اندازه منظومه شمسی شناخته شده ما را دو برابر کرد. همین ماه پیش، ناسا کشف ۵۱۷ سیاره جدید را در
مدار ستاره‌های نزدیک اعلام کرد، تقریباً یک شبه تعداد سیاره‌هایی که در کهکشانمان می‌شناسیم دو برابر می‌شود. بنابراین نجوم به طور مداوم توسط این ظرفیت جمع‌آوری اطلاعات متحول می‌شود، و با داد‌ه‌هایی که هر سال تقریباً دو برابر می‌شوند، ظرف دو دهه آینده، حتی ممکن است برای اولین بار در تاریخ به نقطه‌ای برسیم که بیشتر کهکشان‌ها در جهان را کشف کرده‌ایم. اما با ورود ما به این دوره‌ی داده‌های بزرگ، آنچه در حال فهمش هستیم این است که بین اینکه داده‌های بیشتر، بهتر باشند و اینکه داده‌های بیشتر، متفاوت باشند تفاوت وجود دارد،
این تفاوت می‌تواند سوالاتی که می‌پرسیم را تغییر دهد، و این تفاوت درباره میزان داده‌ای که جمع‌آوری می‌کنیم نیست، راجع به ان است که آیا آنها می‌توانند... دریچه‌های جدیدی به دنیای ما باز کنند یا نه؟ آیا می‌توانند دیدگاه ما را نسبت به آسمان تغییر دهند؟ دریچه بعدی به سوی جهان ما چیست؟ فصل نوین در نجوم چه خواهد بود؟ من به شما تعدادی از ابزارها و فناوری‌ها را نشان می‌دهم که در دهه آینده آنها را توسعه خواهیم داد، و اینکه چگونه این فناوری‌ها، به همراه استفاده هوشمندانه از داده‌ها، شاید بار دیگر نجوم را از طریق گشودن دریچه‌ای به جهانمان متحول کنند،
دریچه زمان! چرا زمان؟ خب، چون که زمان مربوط به سرچشمه‌هاست، و مربوط به تحول است. منشأهای منظومه خورشیدی ما، چگونه منظومه خورشیدی ما متولد شد، و آیا این منظومه به نحو خاصی غیرعادی است؟ درباره تحول جهانِ ما. چرا جهان همواره در حال انبساط است؟ و مفهموم رمزآلود "انرژیِ تاریک" که این انبساط را پیش می‌راند چیست؟ اما ابتدا تمایل دارم که به شما نشان دهم چگونه فناوری نحوه نگاه ما به آسمان را تغییر خواهد داد. تصور کنید اگر در کوه‌های شمال شیلی نشسته بودید و
به سمت غرب به طرف اقیانوس آرام چند ساعتی پیش از غروب، نگاه می‌کردید. این چشم‌اندازیست از آسمان که شما می‌دیدید، و این چشم‌انداز زیباست، با کهکشان راه شیری که از افق سرک می‌کشد. اما این تصویر ثابتی از جهان ماست، و از جنبه‌های گوناگون این همان طرز فکر ما درباره جهان است همیشگی و بی تغییر. اما جهان به هیچ وجه ایستا نیست. همواره در مقیاسی از ثانیه تا مقیاسی چند میلیارد سال تغییر می‌کند. کهکشان‌ها به هم می‌آمیزند، با هم برخورد می‌کنند... با سرعت صدها هزار مایل بر ساعت.
ستاره‌ها متولد می‌شوند، می‌میرند، و مانند این تصاویر غیرمعمول، منفجر می‌شوند. در واقع، اگر برگردیم به آسمان آرام بر فراز شیلی، و بگذاریم زمان پیش رود تا ببینیم که آسمان در سال بعد چگونه تغییر می‌کند، انبساط‌هایی را که می‌بینید اَبَر نو اَختر ها هستند، بقایای واپسینِ ستاره‌ی در حال مرگ که منفجر می‌شود، می‌درخشد و سپس از نظر محو می‌شود. هر یک از این ابر نو اختر ها پنج میلیارد بار از خورشید ما درخشان‌ترند، بنابراین از فاصله دور می‌توانیم آنها را ببینیم ولی برای زمانی کوتاه.
ده ابر نو اختر در هر ثانیه در جهان ما منفجر می‌شوند اگر می‌توانستیم صدای آن را بشنویم، صدای آن مثل ترکیدن یک کیسه پاپ کرن بود. حالا اگر ابر نو اختر ها را محو کنیم، فقط روشنایی آسمان تغییر نمی‌کند. آسمان ما در حرکت مداوم است. این دسته متراکم از اشیا که در آسمان در جریان می‌بینید سیارک‌ها هستند که به دور خورشید می‌گردند، و این تغییرات و حرکت‌ها و این پویشِ سیستم هست که به ما توانایی ساختن مدلی از جهان‌مان می‌دهد و اینکه آینده‌اش را پیش‌بینی کنیم و گذشته‌اش را توضیح دهیم.
تلسکوپ‌هایی که در دهه گذشته استفاده کرده‌ایم برای ثبت داده‌ها در این مقیاس طراحی نشده‌اند. تلسکوپ فضایی هابل: در ۲۵ سال گذشته بخشی از تصاویر با بیشترین جزئیات را از جهان دوردست تولید کرده است، اما اگر تلاش کنید از هابل برای خلق تصویری از جهان استفاده کنید ۱۳میلیون تصویر جداگانه احتیاج است، ۱۲۰ سال برای فقط یک بار انجام دادن این کار. پس، این ما را به سمت فناوری‌های جدید می‌برد و تلسکوپ‌های جدید، تلسکوپ‌هایی که بتوانند بسیار دور بروند تا به جهان دوردست نگاه کنند
و همزمان تلسکوپ‌هایی که بتوانند گستره‌ی وسیعی از آسمان را ببینند تا آسمان را به سریع‌ترین حالت ممکن ثبت کنند. تلسکوپ‌هایی مانند Large Synoptic Survey Telescope یا LSST، احتمالا یکی از بی‌حال‌ترین اسم‌ها برای یکی از جذاب‌ترین آزمایش‌ها در تاریخ ستاره‌شناسی، اگر واقعیتش رو می‌خواهید هیچ‌ وقت نباید به یک دانشمند یا مهندس اجازه بدهید چیزی را نام گذاری کند، حتی بچه‌هاتون را. ما در حال ساخت LSST هستیم. انتظار داریم که در آخر این دهه ثبت داده را شروع کنیم. به شما نشان می‌دهم که چگونه انتظار داریم
این تلسکوپ چشم‌انداز ما را از جهان تغییر دهد، زیرا یک تصویر LSST برابر با ۳٫۰۰۰ تصویر تلسکوپ فضایی هابل است، هر تصویر سه و نیم درجه از آسمان را نشان می‌دهد، که هفت برابر عرض ماه کامل است. چگونه می‌توانید چنین تصویری در این اندازه بگیرید؟ خب! شما بزرگترین دوربین دیجیتالِ تاریخ را می‌سازید، با استفاده از همان فناوری دوربین‌های موجود در تلفن همراهتان یا دوربین‌هایی که می‌توانید در خیابان High Street بخرید، ولی با عرض ۱/۶۷ متر به اندازه یک فولکس واگن قورباغه‌ای، که هر عکس حاصل از آن ۳ میلیارد پیکسل دارد.
اگر بخواهید تصویری در وضوح واقعی، فقط یک تصویر از LSST، را ببینید ۱٫۵۰۰ تلویزیون HD نیاز است. این دوربین از آسمان عکس می‌گیرد، هر ۲۰ ثانیه یک تصویر ثبت می‌کند، مدام در حال بررسی آسمان است بنابراین هر سه شب ما تصویری کاملا جدید از آسمان شیلی خواهیم داشت. در طول ماموریت این تلسکوپ، ۴۰میلیارد ستاره و کهکشان را کشف خواهد کرد، و این اولین بار خواهد بود که ما اجرام بیشتری در آسمان به نسبت تعداد انسان‌های روی زمین کشف کرده‌ایم حالا، می‌توانیم در این زمینه
با استفاده از ترابایت و پتابایت و میلیاردها شی صحبت کنیم، ولی یکی از راه‌های درک این میزان داده که از این دوربین حاصل می‌شود این است که: تمام سخنرانی‌های TED که تا کنون ضبط شده‌اند را همزمان، ۲۴ ساعت شبانه روز هفت روز هفته و برای ۱۰ سال پخش کنید. و پردازش این همه داده یعنی جستجو در همه این سخنرانی‌ها برای پیدا کردن همه ایده‌های جدید و همه مفاهیم جدید نگاه کردن به هر بخش ویدیو تا ببینیم هر فِریم چگونه با بعدی تفاوت دارد. این کار در حال تغییر دادن شیوه‌های علم است،
در حال تغییر دادن روش‌های ستاره شناسی، به سمتی که نرم‌افزارها و الگوریتم‌ها باید در این داده‌ها کاوش کنند، و نرم‌افزار همان قدر برای علم حیاتی است که تلسکوپ‌ها و دوربین‌هایی که ساخته‌ایم. هزاران کشف از این پروژه نتیجه خواهند شد، اما من فقط درباره دو مورد از نظرات در مورد منشا و تکامل صحبت خواهم‌ کرد که شاید با دسترسی به داده‌هایی در این مقیاس، متحول خواهند شد. در پنج سال گذشته، ناسا بیش از ۱٫۰۰۰ منظومه سیاره‌ای به دورِ ستارگان مجاور کشف کرده،
ولی این منظومه‌هایی که کشف می‌کنیم خیلی شبیه منظومه خورشیدی خودمان نیستند، و یکی از سوالاتی که با آن مواجهیم این است که آیا ما به اندازه کافی دقیق کاوش نکرده‌ایم یا چیزی منحصر به فرد یا غیر عادی درباره نحوه شکل گیری منظومه خورشیدی ما وجود دارد؟ و اگر بخواهیم به این سوال جواب دهیم، باید تاریخچه منظومه خورشیدی‌مان را با جزئیات بدانیم، و این جزئیات هستند که اهمیت زیادی دارند. خب! حالا اگر دوباره به آسمان نگاه کنیم، به سیارک‌ها که در آسمان در جریان بودند، این سیارک‌ها مثل گرد و غباری در منظومه خورشیدی ما هستند.
مکان سیارک‌ها مثل اثرانگشت‌هایی از زمان‌های گذشته هستند، زمانی که مدارهای نپتون و مشتری خیلی به خورشید نزدیکتر بودند، و همزمان که این سیاره‌های عظیم در منظومه ما جابجا شدند، سیارک‌ها را به دنبال خود پراکنده کردند. بنابراین مطالعه سیارک‌ها مثل کالبد شکافی است، کالبد شکافی بر روی منظومه خورشیدی ما، اما برای انجام این کار به فاصله گرفتن احتیاج داریم، این فاصله را ما از حرکت‌ها کسب می‌کنیم، و این حرکت‌ها را به دلیل دسترسی به زمان درک می‌کنیم. این مفهوم چه نکته‌ای برای ما دارد؟
خب، اگر به سیارک‌های زرد رنگِ کوچک که در عرض پرده به سرعت حرکت می‌کنند، اینها سیارک‌هایی هستند که بسیار سریع حرکت می‌کنند، چون کمترین فاصله را با ما، با زمین، دارند. اینها سیارک‌هایی هستند که شاید روزی سفینه فضایی به آنها بفرستیم تا برای مواد معدنی حفاری کنند، اما اینها سیارک‌هایی هم هستند که ممکن است روزی با زمین برخورد کنند. مثل اتفاق ۶۰ میلیون سال پیش که با انقراض دایناسورها همراه بود، یا درست در آغاز قرن پیش که یک سیارک تقریبا ۲۵۸٫۰۰۰ هکتار از جنگل‌های سیبری را نابود کرد.
یا همین سال گذشته که یکیش بر فراز روسیه آتش گرفت و انرژی‌ای معادل یک بمب هسته‌ای کوچک آزاد کرد. بنابراین مطالعه سرنخ‌های منظومه خورشیدی ما تنها درباره گذشته به ما نمی‌گوید، می‌تواند زمان آینده را نیز پیش بینی کند، از جمله آینده ما. وقتی که فاصله بگیریم، سیارک‌ها را در محیط طبیعی خودشان می‌بینیم، در مداری به دور خورشید. هر نقطه‌ای که در این تصویرسازی می‌بینید یک سیارک واقعی است. مدارش از روی حرکتش در آسمان محاسبه شده. رنگ‌ها ترکیبات این سیارک‌ها را نشان می‌دهند، خشک‌ها و سنگلاخ ها در وسط،
پرآب‌ها و ابتدایی‌-گونه‌ها متمایل به لبه. سیارک‌های پر آب که ممکن است هسته‌ی اقیانوس‌ها و دریاهایی که روی زمین می‌بینیم را در زمان بمباران کردن زمین در گذشته نشانده باشند. از آنجا که LSST توانایی خواهد داشت که دور برود و نه فقط اینکه گستره‌ی زیادی از آسمان را ببیند، ما خواهیم توانست این سیارک‌ها را از وَرای بخش داخلی منظومه خورشیدی‌مان ببینیم، تا سیارک‌هایی که دورتر از مدار نپتون و مریخ هستند (را ببینیم)، تا دنباله دارها و سیارک‌هایی که شاید در فاصله یک سال نوری از خورشید ما قرار دارند (را ببینیم). همچنان که جزئیات این تصویر را بیشتر می‌کنیم،
افزایشی بین ۱۰ تا ۱۰۰ برابر، می‌توانیم به پرسش‌هایی نظیر آیا شاهدی بر وجود سیاراتی خارج از مدار نپتون وجود دارد؟ پاسخ دهیم (یا اینکه) سیارک‌هایی که به زمین برخورد می‌کنند را خیلی پیشتر از اینکه به خطر تبدیل شوند بیابیم، یا بفهمیم که آیا خورشید ما به تنهایی شکل گرفته یا در خوشه‌ی ستاره ها شکل گرفته، و شاید همین ستاره‌های هم خانواده‌ی خورشید هستند که شکل گیری منظومه خورشیدی ما را تحت تاثیر قرار داده‌اند و شاید این دلیلی باشد بر اینکه چرا منظومه‌های خورشیدی مثل مالِ ما اینقدر کمیاب هستند. حالا برگردیم به فاصله و تغییرات در جهان ما فاصله معادل زمان است،
و همچنین تغییرات در آسمان. به یک قدم دورتر که نگاه می‌کنید، یا هر یک قدم که شی فاصله دارد، شما به یک میلیاردم ثانیه آن طرف تر نگاه می‌کنید و این ایده یا مفهوم نگاه کردن به عقب در زمان نظریه‌های ما در مورد جهان را دگرگون کرده‌اند، نه یک بار بلکه چندین بار. اولین بار سال ۱۹۲۹ بود، وقتی که ستاره‌شناسی به نام ادوین هابل نشان داد که عالَم در حال انبساط است، که منجر به نظریه انفجار بزرگ شد. و مشاهداتش خیلی ساده بودند: فقط ۲۴ کهکشان و یک تصویر که با دست کشیده شده بود.
ولی این ایده که هر چه یک کهکشان دورتر باشد، با سرعت بیشتری از ما دور می‌شود، کافی بود که کیهان شناسی نوین به وجود آید. دومین تحول ۷۰ سال بعد رخ داد، زمانی که دو گروه از ستاره شناسان نشان دادند که جهان فقط در حال انبساط نیست، بلکه در حال شتاب گرفتن هم هست. شگفتی‌ای مانند اینکه توپی را به هوا پرتاب کنید و متوجه شوید که هر چه بالاتر می‌رود با سرعت بیشتری دور می‌شود. و آنها این را با اندازه‌گیری شدت روشناییِ ابَر نو اخترها و اینکه روشنایی ابَر نو اخترها با
فاصله گرفتن از ما کمتر می‌شود ثابت کردند. این مشاهدات پیچیدگی بیشتری داشتند. به فناوری‌های و تلسکوپ‌های جدید احتیاج داشتند چون که ابَر نو اخترها در کهکشان‌هایی بودند که دوهزار بار دورتر از آنهایی بودند که هابل از آنها استفاده کرده بود. و سه سال زمان برد تا ۴۲ ابَر نو اختر یافتند، به دلیل اینکه ابَر نو اخترها درون یک کهکشان، هر ۱۰۰ سال یک بار منفجر می‌شوند. سه سال برای یافتن ۴۲ ابَر نو اختر با جستجو در ده‌ها هزار کهکشان! و وقتی که داده‌هایشان را جمع آوری کردند، این چیزی است که یافته‌اند.
ممکن است این خیلی جالب نباشد، ولی تحول در فیزیک به این شکل است، یک خط که روشنایی ابَر نو اخترهایی با فاصله ۱۱ میلیارد سال نوری را پیش بینی می‌کند و یک دسته از نقطه‌ها که با این خط اصلا تطابق ندارند. تغییرات کوچک به نتایج بزرگی تولید می‌کنند. تغییرات کوچک به ما اجازه کشف‌های بزرگ می‌دهند، مانند سیاره‌ای که توسط هرشل کشف شد. تغییرات کوچک دانسته‌های ما را درباره جهان زیر و رو می‌کنند. بنابراین ۴۲ ابَر نو اختر که کمی کم نورتر هستند به معنی این است که کمی دورتر هستند، که لزومش این است که جهان نه تنها در حال انبساط است بلکه
این انبساط باید تند شونده باشد، که عنصری از جهان ما را نمایان می‌کند که ما آن را انرژی تاریک می‌نامیم، جزئی که این انبساط را به پیش می‌راند و ۶۸ درصد کل انرژی جهان ما را تشکیل می‌دهد. پس تحول بعدی احتمالا چیست؟ انرژی تاریک چیست و چرا وجود دارد؟ هر یک از این خطوط مدل مختلفی را درباره اینکه انرژی تاریک احتمالا چیست، نشان می‌دهد، و این نشان دهنده خصوصیات انرژی تاریک است. همگی با ۴۲ نقطه تطابق دارند ولی نظریه‌هایی که پشت این خطوط هستند، بسیار متفاوت هستند.
بعضی افراد به انرژی تاریکی اعتقاد دارند که با زمان تغییر می‌کند، و یا اینکه خصوصیات انرژی تاریک بسته به اینکه به کدام نقطه آسمان نگاه می‌کنید متفاوت است. تعدادی دیگر تغییراتی بر روی فیزیک در سطوح کوچک‌تر از اتم‌ها انجام می‌دهند. یا اینکه به مقیاس‌های بزرگ نگاه می‌کنند و نحوه کارکرد نسبیت عام و گرانش را تغییر می‌دهند یا اینکه می‌گویند جهان ما فقط یکی از بسیارها است، بخشی از این چند-جهان رمزآلود. ولی همه این نظریه‌ها و ایده‌ها، فوق العاده و باید گفت کمی دیوانه‌وار، همگی به ۴۲ نقطه‌ی ما تطابق دارند.
بنابراین چطور می‌توانیم امید داشته باشیم که در دهه آینده معنی این را بفهمیم؟ فرض کنید که من به شما یک جفت تاس بدهم، و از شما بخواهم که ببینید که تاس‌ها عادلانه ساخته شده‌اند یا دستکاری شده‌اند. یک بار تاس ریختن اطلاعات کمی به شما می‌دهم، اما هر چه بیشتر تاس بریزید هر چه اطلاعات بیشتری بدست آورید مطمئن تر می‌شوید، نه فقط در مورد اینکه آیا عادلانه ساخته شده‌اند یا نه، بلکه چگونگی و میزان دستکاری را هم می‌فهمید. ۳ سال طول کشید تا ۴۲ ابَر نو اختر را یافتیم چون که تلسکوپی که ساخته بودیم
فقط پهنه کوچکی از آسمان را رصد می‌کرد. با استفاده از LSST ما هر سه شب چشم انداز جدیدی از آسمان شیلی خواهیم داشت. در اولین شب فعالیت خود ۱۰ برابرِ ابَر نو اخترهایی که در یافتن انرژی تاریک استفاده شدند را خواهد یافت. این عدد در چهار ماه اول به ۱٫۰۰۰ خواهد رسید. یک و نیم میلیون ابَر نو اختر در انتهای رصد این تلسکوپ. هر ابَر نو اختر مانند یکبار تاس ریختن است، هر ابَر نو اختر امتحان می‌کند که کدام نظریه‌ها درباره انرژی تاریک تطابق دارند و کدام‌ها تطابق ندارند. پس، از ترکیب کردن داده‌های این ابَر نو اخترها
با دیگر اندازه‌های کیهان شناسی می‌توانیم ایده‌های متناقض در مورد انرژی تاریک را کنار بگذاریم که امیدواریم تا انتهای این رصد در سال ۲۰۳۰ بتوانیم انتظار ظهور تدریجی نظریه‌ای درباره جهان‌مان داشته باشیم، نظریه‌ای بنیادین برای فیزیکِ جهانِ ما. از بسیاری جهات سوالاتی که ارائه کردم در واقعیت ساده‌ترین سوالات هستند. شاید پاسخ‌ها را ندانیم ولی حداقل می‌دانیم که چطور سوال را طرح کنیم. اما اگر نگاه ما به ده‌ها هزار کهکشان ۴۲ ابَر نو اختر را یافت که
فهم ما از جهان را دگرگون کرد وقتی که بر روی میلیارد‌ها کهکشان کار کنیم چند بار ۴۲ نقطه خواهیم یافت که با انتظارات ما مطابقت ندارند؟ همانند سیاره‌ای که توسط هرشل کشف شد یا انرژی تاریک یا مکانیک کوانتومی و یا نسبیت عام، تمام نظریه‌هایی که به دلیل منطبق نبودن داده‌ها با انتظارات ما بوجود آمدند. چیزی که درباره دهه بعدیِ داده‌ها در نجوم، هیجان انگیز است این است که ما حتی نمی‌دانیم چند جواب منتظر ما هستند جواب‌هایی درباره ریشه‌های ما و تکامل‌مان.
چند پاسخ وجود دارند که ما حتی سوال‌هاشان را نمی‌دانیم؟ متشکرم (تشویق حضار)
So in 1781, an English composer, technologist and astronomer called William Herschel noticed an object on the sky that didn't quite move the way the rest of the stars did. And Herschel's recognition that something was different, that something wasn't quite right, was the discovery of a planet, the planet Uranus, a name that has entertained countless generations of children, but a planet that overnight doubled the size of our known solar system. Just last month, NASA announced the discovery
of 517 new planets in orbit around nearby stars, almost doubling overnight the number of planets we know about within our galaxy. So astronomy is constantly being transformed by this capacity to collect data, and with data almost doubling every year, within the next two decades, me may even reach the point for the first time in history where we've discovered the majority of the galaxies within the universe. But as we enter this era of big data, what we're beginning to find is there's a difference
between more data being just better and more data being different, capable of changing the questions we want to ask, and this difference is not about how much data we collect, it's whether those data open new windows into our universe, whether they change the way we view the sky. So what is the next window into our universe? What is the next chapter for astronomy? Well, I'm going to show you some of the tools and the technologies that we're going to develop over the next decade, and how these technologies, together with the smart use of data,
may once again transform astronomy by opening up a window into our universe, the window of time. Why time? Well, time is about origins, and it's about evolution. The origins of our solar system, how our solar system came into being, is it unusual or special in any way? About the evolution of our universe. Why our universe is continuing to expand, and what is this mysterious dark energy that drives that expansion? But first, I want to show you how technology
is going to change the way we view the sky. So imagine if you were sitting in the mountains of northern Chile looking out to the west towards the Pacific Ocean a few hours before sunrise. This is the view of the night sky that you would see, and it's a beautiful view, with the Milky Way just peeking out over the horizon. but it's also a static view, and in many ways, this is the way we think of our universe: eternal and unchanging. But the universe is anything but static.
It constantly changes on timescales of seconds to billions of years. Galaxies merge, they collide at hundreds of thousands of miles per hour. Stars are born, they die, they explode in these extravagant displays. In fact, if we could go back to our tranquil skies above Chile, and we allow time to move forward to see how the sky might change over the next year, the pulsations that you see are supernovae, the final remnants of a dying star exploding, brightening and then fading from view,
each one of these supernovae five billion times the brightness of our sun, so we can see them to great distances but only for a short amount of time. Ten supernova per second explode somewhere in our universe. If we could hear it, it would be popping like a bag of popcorn. Now, if we fade out the supernovae, it's not just brightness that changes. Our sky is in constant motion. This swarm of objects you see streaming across the sky are asteroids as they orbit our sun,
and it's these changes and the motion and it's the dynamics of the system that allow us to build our models for our universe, to predict its future and to explain its past. But the telescopes we've used over the last decade are not designed to capture the data at this scale. The Hubble Space Telescope: for the last 25 years it's been producing some of the most detailed views of our distant universe, but if you tried to use the Hubble to create an image of the sky, it would take 13 million individual images, about 120 years to do this just once.
So this is driving us to new technologies and new telescopes, telescopes that can go faint to look at the distant universe but also telescopes that can go wide to capture the sky as rapidly as possible, telescopes like the Large Synoptic Survey Telescope, or the LSST, possibly the most boring name ever for one of the most fascinating experiments in the history of astronomy, in fact proof, if you should need it, that you should never allow a scientist or an engineer
to name anything, not even your children. (Laughter) We're building the LSST. We expect it to start taking data by the end of this decade. I'm going to show you how we think it's going to transform our views of the universe, because one image from the LSST is equivalent to 3,000 images from the Hubble Space Telescope, each image three and a half degrees on the sky, seven times the width of the full moon. Well, how do you capture an image at this scale? Well, you build the largest digital camera in history, using the same technology you find in the cameras in your cell phone
or in the digital cameras you can buy in the High Street, but now at a scale that is five and a half feet across, about the size of a Volkswagen Beetle, where one image is three billion pixels. So if you wanted to look at an image in its full resolution, just a single LSST image, it would take about 1,500 high-definition TV screens. And this camera will image the sky, taking a new picture every 20 seconds, constantly scanning the sky so every three nights, we'll get a completely new view of the skies above Chile. Over the mission lifetime of this telescope,
it will detect 40 billion stars and galaxies, and that will be for the first time we'll have detected more objects in our universe than people on the Earth. Now, we can talk about this in terms of terabytes and petabytes and billions of objects, but a way to get a sense of the amount of data that will come off this camera is that it's like playing every TED Talk ever recorded simultaneously, 24 hours a day, seven days a week, for 10 years. And to process this data means
searching through all of those talks for every new idea and every new concept, looking at each part of the video to see how one frame may have changed from the next. And this is changing the way that we do science, changing the way that we do astronomy, to a place where software and algorithms have to mine through this data, where the software is as critical to the science as the telescopes and the cameras that we've built. Now, thousands of discoveries will come from this project,
but I'm just going to tell you about two of the ideas about origins and evolution that may be transformed by our access to data at this scale. In the last five years, NASA has discovered over 1,000 planetary systems around nearby stars, but the systems we're finding aren't much like our own solar system, and one of the questions we face is is it just that we haven't been looking hard enough or is there something special or unusual about how our solar system formed?
And if we want to answer that question, we have to know and understand the history of our solar system in detail, and it's the details that are crucial. So now, if we look back at the sky, at our asteroids that were streaming across the sky, these asteroids are like the debris of our solar system. The positions of the asteroids are like a fingerprint of an earlier time when the orbits of Neptune and Jupiter were much closer to the sun, and as these giant planets migrated through our solar system, they were scattering the asteroids in their wake.
So studying the asteroids is like performing forensics, performing forensics on our solar system, but to do this, we need distance, and we get the distance from the motion, and we get the motion because of our access to time. So what does this tell us? Well, if you look at the little yellow asteroids flitting across the screen, these are the asteroids that are moving fastest, because they're closest to us, closest to Earth. These are the asteroids we may one day send spacecraft to, to mine them for minerals,
but they're also the asteroids that may one day impact the Earth, like happened 60 million years ago with the extinction of the dinosaurs, or just at the beginning of the last century, when an asteroid wiped out almost 1,000 square miles of Siberian forest, or even just last year, as one burnt up over Russia, releasing the energy of a small nuclear bomb. So studying the forensics of our solar system doesn't just tell us about the past, it can also predict the future, including our future. Now when we get distance,
we get to see the asteroids in their natural habitat, in orbit around the sun. So every point in this visualization that you can see is a real asteroid. Its orbit has been calculated from its motion across the sky. The colors reflect the composition of these asteroids, dry and stony in the center, water-rich and primitive towards the edge, water-rich asteroids which may have seeded the oceans and the seas that we find on our planet when they bombarded the Earth at an earlier time. Because the LSST will be able to go faint
and not just wide, we will be able to see these asteroids far beyond the inner part of our solar system, to asteroids beyond the orbits of Neptune and Mars, to comets and asteroids that may exist almost a light year from our sun. And as we increase the detail of this picture, increasing the detail by factors of 10 to 100, we will be able to answer questions such as, is there evidence for planets outside the orbit of Neptune, to find Earth-impacting asteroids long before they're a danger, and to find out whether, maybe,
our sun formed on its own or in a cluster of stars, and maybe it's this sun's stellar siblings that influenced the formation of our solar system, and maybe that's one of the reasons why solar systems like ours seem to be so rare. Now, distance and changes in our universe — distance equates to time, as well as changes on the sky. Every foot of distance you look away, or every foot of distance an object is away, you're looking back about a billionth of a second in time, and this idea or this notion of looking back in time has revolutionized our ideas about the universe,
not once but multiple times. The first time was in 1929, when an astronomer called Edwin Hubble showed that the universe was expanding, leading to the ideas of the Big Bang. And the observations were simple: just 24 galaxies and a hand-drawn picture. But just the idea that the more distant a galaxy, the faster it was receding, was enough to give rise to modern cosmology. A second revolution happened 70 years later, when two groups of astronomers showed
that the universe wasn't just expanding, it was accelerating, a surprise like throwing up a ball into the sky and finding out the higher that it gets, the faster it moves away. And they showed this by measuring the brightness of supernovae, and how the brightness of the supernovae got fainter with distance. And these observations were more complex. They required new technologies and new telescopes, because the supernovae were in galaxies that were 2,000 times more distant
than the ones used by Hubble. And it took three years to find just 42 supernovae, because a supernova only explodes once every hundred years within a galaxy. Three years to find 42 supernovae by searching through tens of thousands of galaxies. And once they'd collected their data, this is what they found. Now, this may not look impressive, but this is what a revolution in physics looks like: a line predicting the brightness of a supernova 11 billion light years away, and a handful of points that don't quite fit that line.
Small changes give rise to big consequences. Small changes allow us to make discoveries, like the planet found by Herschel. Small changes turn our understanding of the universe on its head. So 42 supernovae, slightly too faint, meaning slightly further away, requiring that a universe must not just be expanding, but this expansion must be accelerating, revealing a component of our universe which we now call dark energy, a component that drives this expansion and makes up 68 percent of the energy budget
of our universe today. So what is the next revolution likely to be? Well, what is dark energy and why does it exist? Each of these lines shows a different model for what dark energy might be, showing the properties of dark energy. They all are consistent with the 42 points, but the ideas behind these lines are dramatically different. Some people think about a dark energy that changes with time, or whether the properties of the dark energy are different depending on where you look on the sky.
Others make differences and changes to the physics at the sub-atomic level. Or, they look at large scales and change how gravity and general relativity work, or they say our universe is just one of many, part of this mysterious multiverse, but all of these ideas, all of these theories, amazing and admittedly some of them a little crazy, but all of them consistent with our 42 points. So how can we hope to make sense of this over the next decade? Well, imagine if I gave you a pair of dice, and I said you wanted to see whether those dice
were loaded or fair. One roll of the dice would tell you very little, but the more times you rolled them, the more data you collected, the more confident you would become, not just whether they're loaded or fair, but by how much, and in what way. It took three years to find just 42 supernovae because the telescopes that we built could only survey a small part of the sky. With the LSST, we get a completely new view of the skies above Chile every three nights. In its first night of operation,
it will find 10 times the number of supernovae used in the discovery of dark energy. This will increase by 1,000 within the first four months: 1.5 million supernovae by the end of its survey, each supernova a roll of the dice, each supernova testing which theories of dark energy are consistent, and which ones are not. And so, by combining these supernova data with other measures of cosmology, we'll progressively rule out the different ideas and theories of dark energy until hopefully at the end of this survey around 2030,
we would expect to hopefully see a theory for our universe, a fundamental theory for the physics of our universe, to gradually emerge. Now, in many ways, the questions that I posed are in reality the simplest of questions. We may not know the answers, but we at least know how to ask the questions. But if looking through tens of thousands of galaxies revealed 42 supernovae that turned our understanding of the universe on its head, when we're working with billions of galaxies, how many more times are we going to find
42 points that don't quite match what we expect? Like the planet found by Herschel or dark energy or quantum mechanics or general relativity, all ideas that came because the data didn't quite match what we expected. What's so exciting about the next decade of data in astronomy is, we don't even know how many answers are out there waiting, answers about our origins and our evolution. How many answers are out there that we don't even know the questions
that we want to ask? Thank you. (Applause)