3 rymdvetenskapliga frågor som datorer hjälper till att besvara

Daniel Zender

Allt eftersom rymdforskare samlar in mer och mer data, hittar observatorier runt om i världen nya sätt att tillämpa superdatorer, molnberäkningar och djupinlärning för att förstå allt. Här är några exempel på hur dessa teknologier förändrar hur astronomer studerar rymden.

Vad händer när svarta hål kolliderar?

Som postdoktorand i USA, astrofysiker Eli Huerta började fundera på hur teknik kan hjälpa fler genombrott att hända inom hans område. Sedan upptäckte forskare gravitationsvågor för första gången 2015 med LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) .

Den här historien var en del av vårt novembernummer 2021

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Forskare har sedan dess kartlagt dessa observationer och kämpat för att lära sig allt de kan om dessa svårfångade krafter. De har upptäckt dussintals fler gravitationsvågssignaler, och framsteg inom datoranvändning hjälper dem att hänga med.

Som postdoc sökte Huerta efter gravitationsvågor genom att mödosamt försöka matcha data som samlats in av detektorer med en katalog över potentiella vågformer. Han ville hitta ett bättre sätt.

Tidigare i år grönsaksland , som nu är en beräkningsforskare vid Argonne National Laboratory nära Chicago, skapade en AI ensemble som kan bearbeta en månads LIGO-data på bara sju minuter.

Hans algoritmer – som körs på speciella processorer som kallas GPU:er – kombinerar framsteg inom artificiell intelligens och distribuerad datoranvändning. Genom att använda antingen separata datorer eller nätverk som fungerar som ett enda system, kan Huerta identifiera gravitationstäta platser som svarta hål, som producerar vågor när de smälter samman.

Huertas samling av AI-modeller är öppen källkod, vilket innebär att alla kan använda dem. Alla har inte tillgång till en superdator, säger han. Detta kommer att minska hindren för forskare att ta till sig och använda AI.

Hur har natthimlen förändrats?

Så mycket som astronomi har expanderat, har fältet varit långsamt med att integrera cloud computing. Vera C. Rubin-observatoriet , som för närvarande är under uppbyggnad i Chile, kommer att bli den första astronomiska institutionen av sin storlek att anta en molnbaserad dataanläggning.

Relaterad berättelse

Hur satellit-megakonstellationer kommer att förändra vårt sätt att använda rymden Och vart än människor går, kommer de att ta med sig satellitkonstellationer till månen och Mars.

När observatoriet startar 2024 kommer de data som dess teleskop fångar att bli tillgängliga som en del av Legacy Survey of Space and Time (LSST) projekt, som kommer att skapa en katalog tusentals gånger större än någon tidigare undersökning av natthimlen. Tidigare undersökningar laddades nästan alltid ner och lagrades lokalt, vilket gjorde det svårt för astronomer att komma åt varandras arbete.

Vi gör en karta över hela himlen, säger Hsin-Fang Chiang , en medlem av Rubins datahanteringsteam. Och i processen bygger de en enorm datamängd som kommer att vara användbar för många olika typer av vetenskap inom astronomi.

Även om Chiangs doktorsexamen är i astronomi, hade hennes första forskning ingenting att göra med undersökningen. År senare fick hon en chans att vara med tack vare projektets omfattning. Hon är stolt över att hennes arbete kan förbättra hur forskare samarbetar.

Det 10-åriga projektet kommer att leverera en 500-petabyte uppsättning data och bilder till molnet, för att hjälpa astronomer att svara på frågor om universums struktur och utveckling.

Det 10-åriga projektet kommer att leverera en 500 petabyte uppsättning data och bilder till molnet.

För varje position på himlen kommer vi att ha mer än 800 bilder där, säger Chiang. Du kunde till och med se vad som hände tidigare. Så speciellt för supernovor eller saker som förändras mycket, då är det väldigt intressant.

Rubin Observatory kommer att bearbeta och lagra 20 terabyte data varje natt när det kartlägger Vintergatan och andra platser. Astronomer som är anslutna till projektet kommer att kunna komma åt och analysera dessa data var som helst via en webbläsare . Så småningom kommer bilderna som teleskopet tar varje natt att omvandlas till en onlinedatabas med stjärnor, galaxer och andra himlakroppar.

Hur såg det tidiga universum ut?

Framsteg inom datoranvändning kan hjälpa astronomer att vrida tillbaka den kosmiska klockan. Tidigare i år använde japanska astronomer ATERUI II , en superdator som är specialiserad på astronomisimuleringar, för att rekonstruera hur universum kan ha sett ut så tidigt som Big Bang.

ATERUI II hjälper forskarna att undersöka kosmisk inflation -teorin att det tidiga universum expanderade exponentiellt från ett ögonblick till ett annat. Astronomer är överens om att denna expansion skulle ha lämnat extrema variationer i materiens densitet som skulle ha påverkat både distributionen av galaxer och hur de utvecklades.

Projektet kräver en enorm mängd datalagring (cirka 10 terabyte, motsvarande 22 000 avsnitt av Game of Thrones)

Genom att jämföra 4 000 simuleringar av det tidiga universum – alla med olika densitetsfluktuationer – mot den verkliga varan, kunde forskare spola tillbaka tiden och fråga varför vissa platser i universum är fulla av kosmisk aktivitet medan andra är karga.

Masato Shirasaki, en biträdande professor vid National Astronomical Observatory of Japan, säger att den frågan skulle vara nästan omöjlig att besvara utan dessa simuleringar. Projektet kräver en enorm mängd datalagring (cirka 10 terabyte, motsvarande 22 000 avsnitt av Game of Thrones ).

Shirasakis team utvecklade en modell av hur universum tros ha utvecklats och tillämpade den på var och en av simuleringarna för att se vilket resultat som kan vara närmast hur det ser ut idag. Denna metod gjorde det lättare att utforska den kosmiska inflationens fysik.

Under de närmaste åren kan Shirasakis metoder hjälpa till att förkorta observationstiden som behövs för framtida ansträngningar som SPHEREx, ett tvåårigt uppdrag planerat till 2024 som involverar en rymdfarkost som kommer att kretsa runt jorden och titta på nästan 300 miljoner galaxer över himlen. Med dessa språng i beräkningen expanderar vår förståelse av universum, bit för bit.

Dölj