Smarta jätteteleskop tog revansch på Hubble (2001)

(Publicerad i Ny Teknik 2001-10-10 14:00. Även publicerad i danska Ingenioren.)

Formbara speglar kompenserar för atmosfäriska störningar

Hubbleteleskopet långt ute i rymden kastade länge en skugga över sina markbaserade kusiner. Hur skulle de kunna konkurrera med ett teleskop långt ovanför jordens störande atmosfär? Men med hjälp av datorer och optiska innovationer lånade från Reagans stjärnornas krig-projekt har den markbaserade astronomin tagit revansch.
- Vi kan ta klarare bilder än Hubble, samtidigt som vi samlar in tio gånger mer ljus, säger Matt Mountain, som är chef för Geminiobservatoriet på Hawaiiön.

I förgrunden, Gemini North. Mauna Kea, Big Island, Hawaii.
Foto: Hans Sandberg, 2001

Big Island är den största av Hawaiis åtta öar och har de högsta bergen i Stilla havet. Få platser på jorden kan mäta sig med denna vulkanrika ö när det gäller astronomi. Atmosfären vid den sovande vulkanen Mauna Keas topp - 4 200 meter över havet - är ovanligt klar och stabil, plus att den är hela 40 procent tunnare och syrefattigare än vid havsytan.

Här ligger de optiska tvillingteleskopen Keck 1 och 2, samt Gemini Nord, ett av två samverkande teleskop som ska bevaka hela stjärnhimlen i det infraröda området. Men den tunna atmosfären till trots brottas även astronomerna på Mauna Keas topp med störningar.

Ljuset från avlägsna himlakroppar färdas mot jorden likt ringar på vattnet. Men när ljuset går igenom atmosfären störs vågfronten; det uppstår avbildningsfel. Vid klara och lugna nätter blir felet litet, men så snart det finns atmosfäriska störningar blir fronten ojämn. För astronomernas del betyder det grumliga och smetiga bilder, och det oavsett hur stora teleskopen är.

Länge kunde forskarna inte göra mycket åt saken, annat än att hoppas på en riktigt lugn och klar natt, eller skicka upp ett teleskop i rymden. Men med den adaptiva optiken, som har sina rötter inom både radioastronomin och Stjärnornas krig, kom lösningen. Grundtanken i den är att mäta störningarna i vågfronten runt det objekt på himlen man vill studera och sedan korrigera dem med ett slags formbara speglar.

Rent praktiskt går det till så att astronomerna försöker hitta ett ljusstarkt objekt - en så kallad ledstjärna - som de sedan analyserar med hjälp av detektorer och datorer. Datorerna räknar snabbt ut hur en perfekt vågfront bör se ut och talar om för de formbara speglarna vilken form de måste anta för att avbildningsfelen ska kompenseras. Korrigeringarna kan göras på olika sätt och på flera ställen, både i sekundärspegeln och i speciella instrument under primärspegeln. Dessa instrument måste kunna upptäcka extremt små fasförskjutningar i vågfronten, göra det tusen gånger per sekund och sedan finjustera optiken.

- När vi byggde Gemini gjorde vi modellen och testerna enbart i datorer, säger Matt Mountain.

- Det gjorde att vi prövade nya saker och vågade ta risker som vi annars aldrig skulle vågat ta. Vi kunde bland annat utsätta modellen för jordbävningar och starka vindar (vindstyrkan på toppen av Mauna Kea når ibland 160 km i timmen.) Istället för tjocka speglar byggde vi en tjugo tons datorstyrd "kontaktlins". När vi var klara skrev vi ut ritningarna och skickade över dem till tillverkaren. På så sätt byggde vi ett mycket stort teleskop som från marken kan fungera som om det var i rymden, men till ett mycket lägre pris. Vi spenderade mindre än motsvarande en miljard kronor per teleskop, istället för de 24 miljarder Hubble kostade.

Forskningsmässigt ligger Geminis fokus på infrarött ljus, eftersom det tränger igenom de interstellära moln som hindrar vanligt ljus från att komma fram. Vanligt ljus ligger inom våglängdsområdet 390-770 nanometer. Ljus med längre vågor kallas infrarött.

- Med infrarött kan du studera universums tidigaste barndom. Du kan blicka in i stjärnornas födelseplatser och fånga information om planeter och andra föremål. Du kan se in i vår galax hjärta där det troligen finns ett svart hål gömt.

- För att bygga ett teleskop för infrarött ljus måste du göra en massa saker annorlunda än när du bygger ett traditionellt optiskt teleskop som Keck, säger Matt Mountain, med en känga till grannteleskopen, som när allt kommer omkring är världens största och mest kända teleskop.

- Vi är dubbelt så känsliga som Keck i de infraröda våglängderna.

Gemini North har liksom Keck en tvilling, men medan Keck II står några tiotal meter från Keck I på Mauna Kea, återfinns Gemini South på Cerro Pachon, 2 715 meter över havet i centrala Chile. Skillnaden beror bland annat på att Kecks designer hoppas kunna förena de två 10-meters speglarna till ett virtuellt superteleskop genom interferometri, medan Geminiforskarnas mål är att kunna bevaka hela stjärnhimlen med hjälp av två samverkande teleskop.

- Gemini är ett observatorium med två teleskop. En observatör som ansöker om tid för ett projekt kommer med hjälp av internet att kunna sitta vid sitt skrivbord på norra halvklotet och använda ett teleskop på det södra och vice versa. Avstånden förlorar betydelse tack vare videokonferenser, fjärrastronomi och alla webbaserade verktyg. Vi kontrollerar redan nu Gemini North från Hilo, huvudstaden på Big Island. Bättre bandvidd kommer en dag att låta oss styra bägge från olika ställen i USA, Kanada eller någon annanstans.

De markbaserade teleskopen har fått sin revansch, men kampen är inte över. Nasa planerar en 6,5-meters efterföljare kallad Next Generation Space Telescope (NGST) som ska ersätta Hubble år 2009.

"Vad gör vi nu?" frågar sig Matt Mountain.

- Vi måste fråga oss vad vetenskapen behöver och svaret är att vi måste ta språnget från 8-10 meter till 50-100 meter. Vi vet inte hur vi ska göra det, men vi måste göra det om vi ska kunna klara konkurrensen.

Hans Sandberg

Fotnot. Geminiprojektet finansierades till hälften (88 miljoner dollar) av USAs nationella forskningsråd NSF (National Science Foundation), medan den andra hälften betalades av Argentina, Australien, Brasilien, Kanada, Chile och Storbritannien. Gemini South väntas bli färdigt senare i år.

Ett nytt slags astronomi

Dagens astronom har lämnat bergstoppen och satt sig vid datorn. Stora observatorier som Gemini och Keck drivs ofta med ett minimum av personal, medan forskarna leder observationerna från fjärran kontrollrum.
- Det är samma revolution som överallt annars. Internet och datatekniken förändrar vårt sätt att bedriva vetenskap, säger Matt Mountain, som är chef för Geminiobservatoriet på Mauna Kea.

- Det är inte bara det att vi kan använda dessa stora teleskop via nätet, utan också det att vi har tillgång till enorma databaser online.

Följden har blivit en radikalt annorlunda sociologi för hur man bedriver astronomi. Många traditionella astronomer har enligt Matt Mountain svårt att smälta detta.

- De brukade röka sin pipa och höra motorernas hummande, men idag jobbar vi alltmer på samma sätt som man gör med rymdteleskopet Hubble. Man lägger in en ansökan och så görs observationen åt en.

- Den yngre generationen tycker att det är befriande. Nu behöver de inte vara experter på alla tekniker bakom komplexa observationer, utan kan designa ny typer av projekt och sedan ta de data vi serverar dem. Det blir som när man använder en partikel-accelerator, säger Matt Mountain.

Hans Sandberg

Telemedicin i Stilla Havet

(Opublicerad).

David Yun i sitt kontor på University of Hawaii.

-Jag har kallats Mr. Telemedicin, säger David Y.Y. Yun stolt.
Han är chef för Hawaii-universitetets Laboratory of Intelligent and Parallel Systems (LIPS,) som använder datakraft och elektronik inom vitt skilda områden. David Yun har varit drivande i uppbygget av delstatens telemedicinska nät. Han har också patent på en teknik som gör det möjligt att behandla cancerpatienter utan att först flyga in dem till Honolulu.

Stilla Havet må ha aldrig så många paradisöar, men blir man allvarligt sjuk på någon av dem måste man ofta flyga till den moderna storstaden Honolulu. Det är en lång och dyrbar resa och knappast något man vill göra regelbundet, vilket ju kan vara fallet under en cancerbehandling. David Yun vill bespara patienterna sådana resor och har kommit på sätt att förvandla tvådimensionella bilder (kanske från en datortomograf, CAT-scan) till tredimensionella virtuella miljöer, med vars hjälp läkare kan planera röntgenbehandling över långa avstånd. Tekniken kallas teleradiologi.
-Det är ingen lätt sak att döda en tumör med röntgenstrålar eftersom en för stark dos dödar allting i dess väg. Det går att reducera dosen till en mer hälsosam nivå, men då måste man använda fler strålar och fokusera dem på rätt sätt. Saken blir inte lättare om vi har en tumör med oregelbunden form, säger han.

Tekniken testades under 90-talet i ett stort forskningsprojekt kallat Mission (Medical Imaging Support via Satellite Integrated Network.) Projektet blev 1998 en av semifinalisterna till USA:s Global Internet Infrastucture Health Reward. Det visade att det går att sända tvådimensionella datortomografiska bilder till fjärran superdatorer vilka har den datorkraft som krävs för att snabbt förvandla dem till detaljerade tredimensionella miljöer. Läkarna kunde sedan justera doseringen och ändra instrumentens inställningar.
-Vi vill kunna skapa virtuella centra för fjärran röntgenkliniker utan egna experter, eller dyrbara system för analys. De behöver bara ta patientens data och sända över dem till det virtuella centrat, säger David Yun.

Men vem har ansvaret om något går fel?
-Det är den lokala läkaren som har det slutgiltiga ansvaret juridiskt sätt. Visst finns det risker med den mänskliga faktorn, som när en röntgenläkare placerar strålen fel. Men vårt system innebär ingen ökad risk mot idag, säger han.

Projekt Mission var ett storskaligt och dyrbart försök, men David Yun arbetar också i mindre skala. Diabetespatienter skulle till exempel kunna förses med glukosmätare som låter dem övervaka sina blodvärden hemifrån och sedan rapportera in dem via Internet.
-Det är tjänster som hjälper patienterna direkt och på ett personligt plan, säger han.

De jobbar också på expertsystem som kan reagera på och kommentera mätvärdena.
-Tänk dig en glukosmätare som också är en mobiltelefon. Då kan du ringa in dina resultat när helst du behöver, säger David Yun optimistiskt.

Hawaii: Från annanas till high tech

Vetenskap är kanske inte det första man tänker på när man hör ordet Hawaii, men samma öar som gett oss Doles annanas och hula hula, bjuder också på superdatorer, observatorier som matchar rymdteleskopet Hubble och avancerad telemedicin. Vägen dit var emellertid inte lätt.

Naturen och klimatet gör det lättare att locka forskare till Hawaii, men orkaner, konjunkturnedgångar i Japan och på fastlandet, samt nu på sistone även terrorism, slår hårt mot ögruppens ekonomi. Det var för att bryta detta beroende delstatsregeringen på 90-talet började profilera sig som ”High Tech Hawaii.”
-Vi var bara en isolerad punkt i Stilla Havet och insåg att vi måste skaffa oss en avancerad infrastruktur för telekommunikationer, säger IT-konsulten Frank Fukunaga, som 1990-2000 höll i genomförandet av Hawaii:s satsning på ny teknik.

Det var inte bara den fysiska isoleringen som höll tillbaks Hawaii, utan också attityder rotade i den traditionella ekonomin. Här har internet spelat en viktig roll för att få folk att tänka i nya banor och Hawaii blev som tur var en knutpunkt för en rad transoceaniska fiberoptiska kablar. Frank Fukunaga drog därför igång en rad projekt inom telemedicin och distansutbildning. Ett resultat är STAN-nätet, som länkar 16 sjukhus och 7 kliniker på 22 öar i Stilla Havet med hjälp av fiberoptik och satellitkommunikationer. Det når även avlägsna öar som amerikanska Samoa, Guam, Palau och Mikronesien.

De enorma avstånden i Stilla Havet gör behovet av telemedicin uppenbart, vare sig det gäller krigsveteraner eller infödda på isolerade öar. Det stora veteransjukhuset Tripler Army Medical Center – också det på Oahu – betjänar hundratusentals veteraner och ger gratis sjukvård åt civila när det kan motiveras inom ramen för de forskningsprojekt man driver med bistånd från USA:s nationella forskningsråd (NSF.) Målet är både att spara pengar och att ge bättre sjukvård. Ett ebrev till Triplers experter med ett digitalt foto plus en diagnos från den lokala sjukvårdspersonalen kan bespara en patient den långa och dyrbara resan till Oahu, alternativt garantera att de flygs in för behandling så snabbt som möjligt.

David Y.Y. Yun: Från Shanghai till Honolulu

David Yun är professor i data och elektronik. Hans föräldrar flydde till Taiwan innan Maos kommunister tog makten 1949, medan David lämnades kvar hos farföräldrarna i Shanghai. Han var tio år gammal då han ombordsmugglad på en djonk lyckades ta sig över till Taiwan där han 1957 återförenades med sina föräldrar. 1962 emigrerade familjen till USA och bosatte sig i Colmbus i Ohio.

David skippade sista året i skolan och gick direkt till Ohio State University för att läsa matematik. Efter examen fortsatte han till Massachussetts Institute of Technology, där doktorerade hösten 1973. Avhandlingen gjorde honom till chef på ett programvarulabb vid IBM:s Watson Research Center. Efter tio år på IBM lämnade han labbet för att undervisa och forska inom Taiwans IT-sektor. Till Hawaii kom han i början av 90-talet och blev snart drivande i delstatsregeringens satsning på högteknik.

Han ägnar en stor del av sin energi åt telemedicin, men också åt eldrivna fordon, datoriserad resursplanering, fjärrstyrda undervattensfarkoster och laserbaserade alternativ till mammografi. En man med många järn i elden.

Hans Sandberg