Skip to content
Home » Signalen decoderen vanuit de ruimte – Asian Scientist Magazine

Signalen decoderen vanuit de ruimte – Asian Scientist Magazine

    Signalen decoderen vanuit de ruimte - Asian Scientist Magazine

    Asian Scientist Magazine (10 oktober 2022) — Van het hologram Princess Leia in de internationaal geliefde Star Wars-franchise tot Bubs de robot in de populaire Koreaanse film Space Sweepers, welk sciencefictionverhaal met ruimtethema zou compleet zijn zonder een matrix van futuristische technologie? Aan boord van Starfleet-schepen waren een heel arsenaal aan computers – zelfs kunstmatige-intelligentie-eenheden – en draagbare Personal Access Display Devices allemaal razend populair in Star Trek.

    Maar deze mooie technologieën zijn niet zomaar een droom die zich afspeelt in een onbereikbare toekomst. In werkelijkheid is supercomputing een essentieel onderdeel van hoe de moderne astronomie werkt. Kosmologie, een tak van de astronomie die zich toelegt op het ontrafelen van de oorsprong en evolutie van het universum, is bijzonder data-intensief en vereist geavanceerde computerbronnen om ongelijksoortige aanwijzingen uit de ruimte samen te voegen.

    “De integratie van astronomie en supercomputing heeft de snelheid waarmee ontdekkingen kunnen worden gedaan, versneld. We kunnen gegevens veel sneller verwerken, veel zwakkere signalen detecteren vanwege de sprongen voorwaarts in gevoeligheid en beelden maken met een hogere resolutie dan ooit tevoren, “zei Dr. Sarah Pearce, adjunct-directeur voor astronomie en ruimtewetenschap bij de Australische Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO), in een interview met Supercomputing Asia.

    Pearce leidt ook de leiding over de Australische tak van het Square Kilometre Array (SKA)-project, een internationale inspanning om ‘s werelds grootste radiotelescoop te bouwen voor het verzamelen van gegevens over een oppervlakte van een miljoen vierkante meter.

    Technologische molochen zijn van cruciaal belang voor deze astronomische missies, aangezien een kleine stap in high performance computing (HPC) kan leiden tot een gigantische sprong in het begrijpen van de kosmos en hoe ons universum is ontstaan.

    &nbsp>
    Galactische oorsprong

    Fonkelende sterren en andere ruimtevoorwerpen zoals asteroïden zijn niet alleen fascinerende kenmerken die aan de hemel verschijnen, maar ze bevatten ook veel geheimen over de fundamentele krachten in ons universum, zijn immense geschiedenis en zijn dynamische evolutie. Zelfs de schijnbare leegte van de ruimte zou niemand voor de gek moeten houden, aangezien onzichtbare zwaartekrachtgolflengten en radio-emissies de leegte vullen met een kolossale mengelmoes van signalen.

    “De gevoeligheid en het ontwerp van de SKA-telescopen zullen de detectie mogelijk maken van extreem zwakke signalen die werden uitgezonden kort na de geboorte van het universum, bijna 14 miljard jaar geleden”, legt Pearce uit. “Als een tijdmachine stellen dergelijke technologieën ons in staat terug te kijken naar wanneer en hoe de eerste sterren en sterrenstelsels werden gevormd.”

    Afgezien van de oorsprong, verbijstert het universum de hoofden van astronomen. Ten eerste breidt het zich nog steeds uit – en dat sneller dan ooit tevoren. De aantrekkingskracht tussen sterrenstelsels zou deze uitdijing moeten vertragen, maar een verbijsterende component genaamd donkere energie kan deze kracht tegenwerken.

    Om te testen of dergelijke theorieën standhouden, maken astronomen de balans op van de massa’s van talrijke sterrenstelsels en hun zwaartekrachtverstoringen op het pad van radiogolven. Deze galactische onderzoeksmissies omvatten ook het zoeken naar waterstofgasemissies, waarvan wordt aangenomen dat het de stervorming voedt.

    Het bemonsteren van een enorm aantal sterrenstelsels is de sleutel tot het onthullen van de subtiele verschillen in emissiegolflengten en vervormingen in de radiosignalen. Daarom maken wetenschappers gebruik van supercomputers om al die gegevens zo snel mogelijk te kalibreren, te transformeren en te analyseren – en in een oogwenk triljoenen berekeningen uit te voeren. Deze metingen kunnen vervolgens worden gebruikt om modellen te bouwen om het kosmologische verleden te simuleren.

    Zo hebben onderzoekers onder leiding van Dr. Masato Shirasaki van het National Astronomical Observatory van Japan heeft de kosmische klok teruggedraaid en het vroege universum gereconstrueerd, waarbij hij 4.000 gesimuleerde universums heeft uitgevoerd op de 3.087-petaFLOPS ATERUI II-supercomputer.

    Tijdens de oerknal explodeerde het heelal in een fractie van een seconde van het niets tot een biljoen biljoen keer zijn grootte. Deze kosmische inflatie beïnvloedde hoe sterrenstelsels en andere zaken in de ruimte worden verdeeld. Om dit fenomeen te achterhalen, heeft het team de gesimuleerde sterrenstelsels ontdaan van hun zwaartekrachtseffecten om interferentie te verminderen en ze ontwikkeld om te zien welke het beste de toestand van het vroege universum weerspiegelde.

    “Met deze nieuwe methode kunnen we inflatietheorieën verifiëren met slechts een tiende van de hoeveelheid gegevens”, zegt Shirasaki tegen Supercomputing Asia. “Omdat er minder gegevens nodig zijn, kan het ook de observatietijd verkorten die nodig is voor toekomstige onderzoeksmissies naar sterrenstelsels.”

    &nbsp>
    Op zoek naar signalen

    Om de antwoorden op de grote mysteries van het universum te ontdekken, bedenken wetenschappers machines die deze galactische schaal kunnen evenaren en de kakofonie van signalen kunnen ontcijferen. In tegenstelling tot hun optische tegenhangers, kunnen radiotelescopen zoals SKA onzichtbare golven detecteren en worden ze niet geblokkeerd door moleculair stof, waardoor ze effectief in de “donkere” gebieden turen waar sterren en planeten worden geboren.

    De SKA laagfrequente telescoop in West-Australië zal beschikken over meer dan 130.000 antennes verdeeld over 512 stations, terwijl het Zuid-Afrikaanse contingent 197 satellietschotels zal omvatten om het middenfrequentiebereik te dekken.

    “SKA zal tot 10 miljard datastromen tegelijk ontvangen”, benadrukt Pearce. “De supercomputers in onze wetenschappelijke verwerkingsfaciliteiten zullen een integraal onderdeel zijn om de gegevens die 24/7 binnenkomen van de ontvangers bij te houden.”

    Dergelijke uitgebreide apparatuur kan landmeetkundige missies versnellen door verschillende grote delen van de lucht parallel en met een ongekende gevoeligheid vast te leggen. Maar om een ​​beeld te schetsen van de radiogegevens, moeten supercomputers de signalen van de antennes correleren en synchroniseren, en ze met elkaar vermenigvuldigen om gegevensobjecten te genereren die zichtbaarheid worden genoemd.

    “De moeilijkheid is dat binnen deze zichtbaarheid het beeld van de lucht door elkaar wordt gegooid met antennereacties en andere radiosignalen, zoals van telecommunicatieapparatuur”, merkte Pearce op.

    &nbsp>
    Van scopes tot supercomputers

    Supercomputers maken gebruik van geavanceerde data-analyse om ruimtesignalen te ontwarren van alle ruis, inclusief kleine verschillen in de gebruikte instrumenten en eventuele “pieken” die rond heldere sterren verschijnen. Door iteratieve lussen van berekeningen kunnen de machines de radiogolven omzetten in astronomische beelden met een ongeëvenaarde kwaliteit en resolutie.

    Of het nu gaat om het uitfilteren van storende signalen of het samenvoegen van kleinere afbeeldingen om gedetailleerde representaties te creëren, deze complexe computertaken ontvouwen zich allemaal in realtime en worden uitgevoerd via duizenden radiofrequenties. Een dergelijke prestatie, merkte Pearce op, is alleen mogelijk vanwege de enorme kracht van HPC-bronnen die vandaag beschikbaar zijn.

    “Verre sterrenstelsels, die vandaag alleen door zeer lange waarnemingen worden waargenomen, zullen routinematig in een fractie van de tijd worden waargenomen. Astronomen die de SKA-telescopen gebruiken, zullen meer gegevens tegenkomen dan ooit beschikbaar is geweest in de geschiedenis van de radioastronomie”, voegde ze eraan toe.

    SKA bouwt ook voort op langdurige voorloperprojecten van CSIRO, waaronder de Australian Square Kilometre Array Pathfinder (ASKAP) en Murchison Widefield Array. De ruggengraat van deze ruimtemissies is Galaxy, een realtime supercomputerdienst voor telescopen en astronomieonderzoek. Dit 200-teraFLOPS CRAY XC30-systeem, gehuisvest in het Pawsey Supercomputing Research Center in Australië, is uitgerust met Nvidia K20X ‘Kepler’ grafische verwerkingseenheden en Intel Xeon E5-2690 hostprocessors.

    De HPC-faciliteiten van SKA zullen beschikken over een gezamenlijke rekencapaciteit van 500 petaFLOPS en zullen elk jaar meer dan 600 petabyte aan gegevens archiveren. Bovendien zal de alliantie van SKA-centra over de hele wereld worden verbonden via een high-end glasvezelnetwerk dat gegevens kan verzenden met snelheden van zeven tot acht terabit per seconde, ongeveer 100.000 keer sneller dan de huidige gemiddelde breedbandsnelheden.

    &nbsp>
    Collectieve ambities, universele toekomst

    Door gelokaliseerde inspanningen te overbruggen naar wereldwijde inspanningen, ziet Pearce een meer samenwerkingsmodel voor de toekomst van de astronomie.

    “Diep geworteld in ons ethos is het concept van open wetenschap,” zei Pearce. “Na een propriëtaire periode zullen de enorme datasets van SKA toegankelijk worden voor iedereen die ze wil analyseren, wat het potentieel voor verdere ontdekkingen enorm vergroot.”

    Traditioneel zou een enkele astronoom of een klein team tijd vragen om een ​​telescoop te gebruiken voor hun individuele onderzoek. Nu nemen wetenschappers en ingenieurs van ongeveer 100 organisaties in 20 landen deel aan de ontwikkeling van SKA – gebruikmakend van gedeelde technologische middelen als het voertuig voor het stimuleren van vooruitgang in de ruimtewetenschap.

    Van het onthullen van de geheimen van donkere materie tot het in kaart brengen van de magnetische velden die het universum doordringen, HPC-systemen zijn klaar om de volgende generatie astronomische waarnemingen een superlading te geven. Door snapshots van ruimte-tijd vast te leggen, kunnen deze innovaties wetenschappelijke teams in staat stellen meeslepende verhalen samen te weven die ons begrip van de oorsprong en het lot van het universum transformeren.

    Dit artikel is voor het eerst gepubliceerd in de gedrukte versie van Supercomputing Asia, juli 2022.
    Klik hier om u te abonneren op het gedrukte Asian Scientist Magazine.

    Copyright: Asian Scientist Magazine. Afbeelding: Unsplash