3 otázky týkající se vesmírné vědy, na které výpočetní technika pomáhá odpovědět

Daniel Zender

Jak vesmírní vědci shromažďují stále více dat, observatoře po celém světě nacházejí nové způsoby, jak aplikovat superpočítače, cloud computing a hluboké učení, aby tomu všemu dávaly smysl. Zde je několik příkladů toho, jak tyto technologie mění způsob, jakým astronomové studují vesmír.

Co se stane, když se černé díry srazí?

Jako postdoktorand v USA astrofyzik Eli Huerta začal přemýšlet o tom, jak by technologie mohla pomoci k dalším průlomům v jeho oboru. Poté vědci poprvé v roce 2015 pomocí LIGO detekovali gravitační vlny (Laserová interferometrová observatoř gravitačních vln) .

Tento příběh byl součástí našeho vydání z listopadu 2021

• Viz zbytek čísla
• předplatit

Vědci od té doby zmapovali tato pozorování a snažili se o těchto nepolapitelných silách dozvědět vše, co mohli. Zaznamenali desítky dalších signálů gravitačních vln a pokroky ve výpočetní technice jim pomáhají držet krok.

Jako postdoktorand hledal Huerta gravitační vlny tak, že se zdlouhavě snažil porovnat data shromážděná detektory s katalogem potenciálních křivek. Chtěl najít lepší způsob.

Dříve v tomto roce zeleninový pozemek , který je nyní počítačovým vědcem v Argonne National Laboratory poblíž Chicaga, vytvořil AI soubor, který je schopen zpracovat měsíční data LIGO za pouhých sedm minut.

Jeho algoritmy – které běží na speciálních procesorech zvaných GPU – kombinují pokroky v umělé inteligenci a distribuovaných výpočtech. Pomocí samostatných počítačů nebo sítí, které fungují jako jeden systém, může Huerta identifikovat gravitačně hustá místa, jako jsou černé díry, které při splynutí vytvářejí vlny.

Kolekce modelů umělé inteligence Huerta je open source, což znamená, že je může používat kdokoli. Ne každý má přístup k superpočítači, říká. Tím se sníží překážky pro výzkumníky při přijímání a používání AI.

Jak se změnila noční obloha?

Jak se astronomie rozšiřovala, integrace cloud computingu byla pomalá. Observatoř Vera C. Rubin , v současnosti ve výstavbě v Chile, se stane první astronomickou institucí své velikosti, která zavede cloudové datové zařízení.

Související příběh

Jak satelitní megakonstelace změní způsob, jakým využíváme vesmír A ať už lidé půjdou kamkoli, vezmou si s sebou satelitní konstelace na Měsíc a Mars.

Po spuštění observatoře v roce 2024 budou data, která její dalekohled zachytí, k dispozici jako součást Legacy Survey of Space and Time (LSST), který vytvoří katalog tisíckrát větší než jakýkoli předchozí průzkum noční oblohy. Minulé průzkumy byly téměř vždy stahovány a ukládány lokálně, což ztěžovalo astronomům vzájemný přístup ke své práci.

Děláme mapu celé oblohy, říká Hsin-Fang Chiang , člen týmu správy dat společnosti Rubin. A v tomto procesu budují obrovský soubor dat, který bude užitečný pro mnoho různých druhů vědy v astronomii.

Ačkoli Chiang má doktorát z astronomie, její počáteční výzkum neměl s průzkumem nic společného. Po letech dostala šanci se zapojit díky samotné velikosti projektu. Je hrdá na to, že její práce může zlepšit způsob, jakým vědci spolupracují.

Projekt na 10 let dodá 500-petabajtový soubor dat a snímků do cloudu, aby pomohl astronomům odpovědět na otázky týkající se struktury a vývoje vesmíru.

Desetiletý projekt dodá do cloudu 500-petabajtovou sadu dat a obrázků.

Pro každou pozici na obloze tam budeme mít více než 800 snímků, říká Chiang. Dokonce jste mohli vidět, co se stalo v minulosti. Takže zvláště u supernov nebo věcí, které se hodně mění, je to velmi zajímavé.

Rubin Observatory zpracuje a uloží 20 terabajtů dat každou noc při mapování Mléčné dráhy a míst za ní. Astronomové přidružení k projektu budou moci přistupovat k těmto datům a analyzovat je odkudkoli přes webový prohlížeč . Nakonec budou snímky, které teleskop pořídí každou noc, převedeny do online databáze hvězd, galaxií a dalších nebeských těles.

Jak vypadal raný vesmír?

Pokroky ve výpočetní technice by mohly astronomům pomoci vrátit zpět kosmické hodiny. Začátkem tohoto roku japonští astronomové použili ATERUI II , superpočítač, který se specializuje na astronomické simulace, aby rekonstruoval, jak mohl vesmír vypadat již v době velkého třesku.

ATERUI II pomáhá výzkumníkům při vyšetřování kosmická inflace – teorie, že raný vesmír se exponenciálně rozšiřoval z jednoho okamžiku do druhého. Astronomové se shodují, že tato expanze by zanechala extrémní změny v hustotě hmoty, které by ovlivnily jak rozložení galaxií, tak způsob jejich vývoje.

Projekt vyžaduje obrovské množství datového úložiště (asi 10 terabajtů, což odpovídá 22 000 epizodám Game of Thrones)

Porovnáním 4 000 simulací raného vesmíru – všechny s různými fluktuacemi hustoty – se skutečnou věcí mohli vědci přetočit čas a zeptat se, proč jsou některá místa ve vesmíru plná kosmické aktivity, zatímco jiná jsou neplodná.

Masato Shirasaki, odborný asistent na Japonské národní astronomické observatoři říká, že na tuto otázku by bylo téměř nemožné odpovědět bez těchto simulací. Projekt vyžaduje obrovské množství datového úložiště (asi 10 terabajtů, což odpovídá 22 000 epizod Hra o trůny ).

Shirasakiho tým vyvinul model toho, jak se předpokládá, že se vesmír vyvíjel, a aplikoval jej na každou ze simulací, aby zjistil, který výsledek se může nejvíce blížit tomu, jak vypadá dnes. Tato metoda usnadnila zkoumání fyziky kosmické inflace.

V příštích několika letech by Shirasakiho metody mohly pomoci zkrátit dobu pozorování potřebnou pro budoucí úsilí, jako je např SPHEREx, dvouletá mise plánovaná na rok 2024 zahrnující kosmickou loď, která bude obíhat Zemi a dívat se na téměř 300 milionů galaxií na obloze. S těmito skoky ve výpočetní technice se naše chápání vesmíru kousek po kousku rozšiřuje.

skrýt