Расшифровка сигналов из космоса

Журнал Asian Scientist (10 октября 2022 г.) — От голограммы принцессы Леи из всемирно любимой франшизы «Звездные войны» до робота Бабса из популярного корейского фильма «Космические чистильщики» — какая научно-фантастическая история на космическую тематику была бы полной без матрицы футуристических технологий? На борту кораблей Звездного Флота целый арсенал компьютеров — даже устройства с искусственным интеллектом — и портативные устройства отображения с персональным доступом вызывали восторг в «Звездном пути».

Но эти причудливые технологии — не просто несбыточная мечта в недостижимом будущем. На самом деле суперкомпьютеры — неотъемлемая часть работы современной астрономии. Космология, раздел астрономии, посвященный разгадке происхождения и эволюции Вселенной, требует особенно больших объемов данных и сложных вычислительных ресурсов, чтобы собрать воедино разрозненные данные из космоса.

«Интеграция астрономии и суперкомпьютеров ускорила скорость, с которой можно делать открытия. Мы можем обрабатывать данные намного быстрее, обнаруживать гораздо больше слабых сигналов благодаря резкому скачку чувствительности и создавать изображения с более высоким разрешением, чем когда-либо прежде», — сказала д-р Сара Пирс, заместитель директора по астрономии и космическим наукам Австралийского научно-промышленного исследовательского центра Содружества. организации (CSIRO) в интервью Supercomputing Asia.

Пирс также возглавляет австралийскую часть проекта Square Kilometer Array (SKA) — международного проекта по созданию крупнейшего в мире радиотелескопа для сбора данных с площади в миллион квадратных метров.

Технологические гиганты имеют решающее значение для этих астрономических миссий, поскольку один маленький шаг в области высокопроизводительных вычислений (HPC) может привести к гигантскому скачку в понимании космоса и того, как возникла наша Вселенная.

>
Галактическое происхождение

Мерцающие звезды и другие космические объекты, такие как астероиды, — это не только очаровательные элементы, усеивающие небо, но и хранящие много тайн о фундаментальных силах нашей Вселенной, ее огромной истории и динамической эволюции. Даже кажущаяся пустота космического пространства никого не должна вводить в заблуждение, поскольку невидимые гравитационные длины волн и радиоизлучение заполняют пустоту колоссальной мешаниной сигналов.

«Чувствительность и конструкция телескопов SKA позволят обнаруживать чрезвычайно слабые сигналы, излучаемые вскоре после рождения Вселенной почти 14 миллиардов лет назад», — пояснил Пирс. «Как машина времени, такие технологии позволяют нам оглянуться назад, когда и как сформировались первые звезды и галактики».

Помимо происхождения, вселенная всегда ошеломляла умы астрономов. Во-первых, он все еще расширяется — и делает это быстрее, чем когда-либо прежде. Гравитационное притяжение между галактиками должно замедлять это расширение, однако этому взаимодействию может противодействовать вызывающий недоумение компонент, называемый темной энергией.

Чтобы проверить, имеют ли такие теории вес, астрономы подсчитывают массы многочисленных галактик и их гравитационные возмущения на пути радиоволн. Эти миссии по исследованию галактики также включают поиск выбросов газообразного водорода, который, как считается, способствует формированию звезд.

Выборка огромного количества галактик является ключом к выявлению тонких различий в длинах волн излучения и искажениях в радиосигналах. Соответственно, ученые подключаются к суперкомпьютерам для калибровки, преобразования и анализа всех этих данных как можно быстрее, выполняя триллионы вычислений в мгновение ока. Затем эти измерения можно использовать для построения моделей космологического прошлого.

Например, исследователи под руководством доктора Масато Ширасаки из Национальной астрономической обсерватории Японии повернули космические часы вспять и реконструировали раннюю Вселенную, запустив 4000 смоделированных вселенных на суперкомпьютере ATERUI II с производительностью 3087 петафлопс.

Во время Большого взрыва Вселенная взорвалась с нуля до одного триллиона триллионов своих размеров за долю секунды. Эта космическая инфляция повлияла на то, как галактики и другая материя распределяются в пространстве. Чтобы проследить это явление, команда лишила смоделированные галактики их гравитационных эффектов, чтобы уменьшить интерференцию, и эволюционировала, чтобы увидеть, какая из них лучше всего отражает состояние ранней Вселенной.

«Этот новый метод позволяет нам проверять теории инфляции, используя только одну десятую объема данных», — сказал Ширасаки Supercomputing Asia. «Поскольку требуется меньше данных, это также может сократить время наблюдения, необходимое для будущих миссий по исследованию галактик».

>
Поиск сигналов

Чтобы найти ответы на великие загадки Вселенной, ученые разрабатывают машины, которые могут соответствовать этому галактическому масштабу и расшифровывать какофонию ее сигналов. В отличие от своих оптических аналогов, радиотелескопы, такие как SKA, могут обнаруживать невидимые волны и не блокируются молекулярной пылью, эффективно заглядывая в «темные» области, где рождаются звезды и планеты.

Низкочастотный телескоп SKA в Западной Австралии будет иметь более 130 000 антенн, распределенных по 512 станциям, а южноафриканский контингент будет состоять из 197 спутниковых антенн для охвата среднечастотного диапазона.

«SKA будет получать до 10 миллиардов потоков данных одновременно», — подчеркнул Пирс. «Суперкомпьютеры в наших центрах обработки научных данных будут неотъемлемой частью работы с данными, поступающими от приемников 24 часа в сутки, 7 дней в неделю».

Такое обширное оборудование может ускорить геодезические миссии, захватывая несколько больших участков неба параллельно и с беспрецедентной чувствительностью. Но чтобы нарисовать картину из радиоданных, суперкомпьютеры должны коррелировать и синхронизировать сигналы от антенн, перемножая их вместе для создания объектов данных, называемых видимостью.

«Трудность заключается в том, что внутри этой видимости изображение неба перемешано с откликами антенн и другими радиосигналами, например, от телекоммуникационных устройств», — отметил Пирс.

>
От осциллографов к суперкомпьютерам

Суперкомпьютеры используют расширенную аналитику данных, чтобы отделить космические сигналы от всего шума, включая учет незначительных различий в используемых инструментах и ​​любых «шипов», которые появляются вокруг ярких звезд. Благодаря повторяющимся циклам вычислений машины могут преобразовывать радиоволны в астрономические изображения с непревзойденным качеством и разрешением.

Будь то фильтрация мешающих сигналов или объединение небольших изображений для создания подробных представлений, все эти сложные вычислительные задачи выполняются в режиме реального времени и выполняются на тысячах радиочастот. Такой подвиг, отметил Пирс, возможен только благодаря огромной мощности ресурсов высокопроизводительных вычислений, доступных сегодня.

«Далекие галактики, которые сегодня можно увидеть только в результате очень длительных наблюдений, обычно будут наблюдать за долю времени. Астрономы, использующие телескопы SKA, получат больше данных, чем когда-либо было доступно за всю историю радиоастрономии», — добавила она.

SKA также опирается на давние проекты-предшественники CSIRO, в том числе на Австралийский массив квадратных километров Pathfinder (ASKAP) и Murchison Widefield Array. Основой этих космических миссий является Galaxy, суперкомпьютерный сервис реального времени для телескопов и астрономических исследований. Эта система CRAY XC30 с производительностью 200 терафлопс, размещенная в Исследовательском центре суперкомпьютеров Pawsey в Австралии, оснащена графическими процессорами Nvidia K20X Kepler и хост-процессорами Intel Xeon E5-2690.

Комплекс высокопроизводительных вычислений SKA будет иметь общую вычислительную мощность 500 петафлопс и ежегодно архивировать более 600 петабайт данных. Кроме того, альянс центров SKA по всему миру будет соединен через высокотехнологичную оптоволоконную сеть, способную передавать данные со скоростью от семи до восьми терабит в секунду, что примерно в 100 000 раз быстрее, чем текущие средние скорости широкополосного доступа.

>
Коллективные амбиции, универсальное будущее

Соединяя локальные усилия с глобальными, Пирс представляет более совместную модель будущего астрономии.

«В нашем духе глубоко укоренилась концепция открытой науки, — сказал Пирс. «После периода собственности огромные наборы данных SKA станут доступными для всех, кто захочет их проанализировать, что значительно повысит потенциал для дальнейших открытий».

Традиционно один астроном или небольшая команда запрашивали время, чтобы использовать телескоп для своих индивидуальных исследований. Теперь ученые и инженеры из примерно 100 организаций из 20 стран участвуют в разработке SKA, используя общие технологические ресурсы в качестве средства продвижения достижений космической науки.

От раскрытия секретов темной материи до картографирования магнитных полей, пронизывающих Вселенную, высокопроизводительные системы настроены на то, чтобы дать новый импульс астрономическим наблюдениям следующего поколения. Делая снимки пространства-времени, эти инновации могут дать возможность научным группам сплести захватывающие истории, которые изменят наше понимание происхождения и судьбы Вселенной.

Эта статья была впервые опубликована в печатной версии Supercomputing Asia за июль 2022 года.
Нажмите здесь подписаться на печатный журнал Asian Scientist Magazine.

—

Авторское право: журнал Asian Scientist. Иллюстрация: Oi Keat Lam/Журнал Asian Scientist