3 domande sulla scienza spaziale a cui l'informatica sta aiutando a rispondere

Daniel Zender

Man mano che gli scienziati spaziali raccolgono sempre più dati, gli osservatori di tutto il mondo stanno trovando nuovi modi per applicare il supercalcolo, il cloud computing e il deep learning per dare un senso a tutto questo. Ecco alcuni esempi di come queste tecnologie stanno cambiando il modo in cui gli astronomi studiano lo spazio.

Cosa succede quando i buchi neri si scontrano?

Come studente post-dottorato negli Stati Uniti, astrofisico Eli Huerta ha iniziato a pensare a come la tecnologia potrebbe aiutare a realizzare più scoperte nel suo campo. Quindi i ricercatori hanno rilevato le onde gravitazionali per la prima volta nel 2015 con LIGO (l'Osservatorio delle onde gravitazionali dell'interferometro laser) .

Questa storia faceva parte del nostro numero di novembre 2021

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Da allora gli scienziati hanno tracciato queste osservazioni e si sono affrettati a imparare tutto ciò che potevano su queste forze sfuggenti. Hanno rilevato dozzine di segnali di onde gravitazionali in più e i progressi nell'informatica li stanno aiutando a tenere il passo.

Come postdoc, Huerta ha cercato le onde gravitazionali cercando noiosamente di abbinare i dati raccolti dai rivelatori a un catalogo di potenziali forme d'onda. Voleva trovare un modo migliore.

All'inizio di quest'anno orto , che ora è uno scienziato computazionale presso l'Argonne National Laboratory vicino a Chicago, ha creato un'IA ensemble in grado di elaborare un mese di dati LIGO in soli sette minuti.

I suoi algoritmi, che funzionano su processori speciali chiamati GPU, combinano i progressi dell'intelligenza artificiale e del calcolo distribuito. Utilizzando computer separati o reti che agiscono come un unico sistema, Huerta può identificare luoghi densi gravitazionalmente come i buchi neri, che producono onde quando si fondono.

La raccolta di modelli di intelligenza artificiale di Huerta è open source, il che significa che chiunque può usarli. Non tutti hanno accesso a un supercomputer, dice. Ciò abbasserà le barriere che i ricercatori devono adottare e utilizzare l'IA.

Come è cambiato il cielo notturno?

Per quanto l'astronomia si sia espansa, il campo è stato lento nell'integrare il cloud computing. L'Osservatorio Vera C. Rubin , attualmente in costruzione in Cile, diventerà la prima istituzione astronomica delle sue dimensioni ad adottare una struttura dati basata su cloud.

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Quando l'osservatorio verrà avviato nel 2024, i dati acquisiti dal suo telescopio saranno disponibili come parte del Indagine sull'eredità dello spazio e del tempo (LSST), che creerà un catalogo migliaia di volte più grande di qualsiasi precedente rilevamento del cielo notturno. I sondaggi precedenti venivano quasi sempre scaricati e archiviati localmente, il che rendeva difficile per gli astronomi accedere al lavoro dell'altro.

Stiamo facendo una mappa del cielo pieno, dice Hsin-Fang Chiang , un membro del team di gestione dei dati di Rubin. E nel processo, stanno costruendo un enorme set di dati che sarà utile per molti diversi tipi di scienza in astronomia.

Sebbene il dottorato di Chiang sia in astronomia, la sua ricerca iniziale non aveva nulla a che fare con il sondaggio. Anni dopo, ha avuto la possibilità di essere coinvolta grazie alla vastità del progetto. È orgogliosa che il suo lavoro possa migliorare il modo in cui gli scienziati collaborano.

Il progetto decennale consegnerà un set di dati e immagini da 500 petabyte al cloud, per aiutare gli astronomi a rispondere a domande sulla struttura e l'evoluzione dell'universo.

Il progetto decennale fornirà al cloud un set di dati e immagini da 500 petabyte.

Per ogni posizione nel cielo, avremo più di 800 immagini lì, dice Chiang. Potresti anche vedere cosa è successo in passato. Quindi, specialmente per le supernove o cose che cambiano molto, è molto interessante.

L'Osservatorio Rubin elaborerà e memorizzerà 20 terabyte di dati ogni notte mentre mappa la Via Lattea e luoghi oltre. Gli astronomi affiliati al progetto potranno accedere e analizzare quei dati da qualsiasi luogo tramite un browser web . Alla fine, le immagini che il telescopio acquisisce ogni notte verranno convertite in un database online di stelle, galassie e altri corpi celesti.

Che aspetto aveva l'universo primordiale?

I progressi nell'informatica potrebbero aiutare gli astronomi a riportare indietro l'orologio cosmico. All'inizio di quest'anno, gli astronomi giapponesi hanno utilizzato ATERUI II , un supercomputer specializzato in simulazioni astronomiche, per ricostruire come poteva essere l'universo già dal Big Bang.

ATERUI II sta aiutando i ricercatori a indagare inflazione cosmica —la teoria secondo cui l'universo primordiale si espanse esponenzialmente da un momento all'altro. Gli astronomi concordano sul fatto che questa espansione avrebbe lasciato variazioni estreme nella densità della materia che avrebbero influenzato sia la distribuzione delle galassie che il modo in cui si sono sviluppate.

Il progetto richiede un'enorme quantità di archiviazione dati (circa 10 terabyte, equivalenti a 22.000 episodi di Game of Thrones)

Confrontando 4.000 simulazioni dell'universo primordiale, tutte con diverse fluttuazioni di densità, con quelle reali, gli scienziati potrebbero riavvolgere il tempo e chiedersi perché alcuni luoghi dell'universo sono pieni di attività cosmica mentre altri sono aridi.

Masato Shirasaki, un assistente professore presso l'Osservatorio astronomico nazionale del Giappone, afferma che sarebbe quasi impossibile rispondere a questa domanda senza queste simulazioni. Il progetto richiede un'enorme quantità di archiviazione dati (circa 10 terabyte, equivalenti a 22.000 episodi di Game of Thrones ).

Il team di Shirasaki ha sviluppato un modello di come si pensa si sia evoluto l'universo e lo ha applicato a ciascuna delle simulazioni per vedere quale risultato potrebbe essere più vicino a come appare oggi. Questo metodo ha reso più facile esplorare la fisica dell'inflazione cosmica.

Nei prossimi anni, i metodi di Shirasaki potrebbero aiutare a ridurre il tempo di osservazione necessario per sforzi futuri come SFERA, una missione di due anni prevista per il 2024 che coinvolge un veicolo spaziale che orbiterà intorno alla Terra e osserverà quasi 300 milioni di galassie nel cielo. Con questi progressi nell'informatica, la nostra comprensione dell'universo si sta espandendo, a poco a poco.

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