Проект Einstein@Home

M. Alessandra Papa, Benjamin Knispel, Bernd Machenschalk, Holger Pletsch

 

Оригинал статьи в журнале LIGO Magazine.

Перевод – AlexA, сайт BOINC.RU                                                                                                                            Скачать в формате PDF

 

   
   

 

 

 

Старший научный сотрудник  независимой исследовательской группы в институте Альберта Эйнштейна (AEI) в Ганновере и адъюнкт-профессор Винсконсинского Университета (UWM), М. Алессандра посвятила большую часть своей научной жизни поискам непрерывных гравитационных волновых сигналов. Она надеется, что природа будет достаточно любезна, чтобы вознаградить ее настойчивость в какой-то момент. В свободное время она занимается тайцзи-цюань, любит путешествовать, фотографировать на цифровой аппарат и заниматься кулинарией. Также на базе AEI в Ганновере, Бенджамин Книспель работает в качестве пост-доктора и руководит пресс-службой, Бернд Махеншалк работает инженером программного обеспечения, и Хольгер Плетч ведет независимую исследовательскую группу.

 

В контексте деятельности Американского физического сообщества (APS) в течение Всемирного Года Физики (2005) APS-директор по связям со СМИ Джеймс Риордон предложил руководству LIGO развитие принципов, заложенных в проекте SETI@Home для поиска гравитационных волн (GW). Брюс Аллен посчитал, что эта идея очень перспективна и достойна того, чтобы принять участие в ее реализации. Он принял руководство проектом и решил, что первоначально поиск будет организован для непрерывных сигналов GW. Для Аллена главным мотивом использования принципов SETI@Home было то, что этот проект являлся рабочей инфраструктурой, выдержавшей существенное стресс-тестирование, а не фантазией, описанной в резюме. Дэвид Андерсон, чьи наработки было решено использовать, был не просто ученым-теоретиком, но имел реальный опыт организации вычислений огромного масштаба.

Позднее в 2005 году, Аллен в сотрудничестве с Андерсоном и Алессандрой Папа были награждены грантом национального научного Фонда США (NSF), чтобы поддержать развитие проекта Einstein@Home. Совместная поддержка NSF и общества Макса Планка позволило Einstein@Home развиваться: с момента своего запуска в 2005 году он вырос до уровня одного из четырех крупнейших вычислительных проектов в мире, независимо от того, измерять ли количеством участвующих добровольцев, вычислительной мощностью или научными результатами, опубликованными в ряде работ.

Название Einstein@Home первоначально предложил Ричард Дюпьи, в то время постдок LIGO, а в настоящее время работающий в области финансов. С 2008 года Einstein@Home также занимается поиском радиопульсаров, а с 2011 года и гамма-лучевых пульсаров.

 

Инфраструктура

 

Хотя программное обеспечение, на котором основан Einstein@Home - Открытая инфраструктура для сетевых вычислений из Беркли (BOINC) - может управлять небольшими и средними проектами, работающими на одном сервере, проект размера Einstein@Home требует значительно больших усилий.

Einstein@Home имеет в своем составе около десятка серверов, расположенных в двух разных местах за много километров друг от друга: UWM (Винсконсинский Университет) в США, и AEI (Институт Альберта Эйнштейна) в Ганновере, Германия. Все основано на большой базе данных. Три компьютера были специально построены и настроены для управления этой базой данных: активный "мастер", «ведомый», который мог бы легко стать мастером в течение нескольких минут, и один запасной - для надежности.

Каждый поисковый эксперимент имеет свой собственный "сервер загрузки", от которого клиенты получают данные для последующей обработки.

 

   
   

 E@H скринсейвер: заставка проекта Einstein@Home на компьютерах волонтеров показывает вращающуюся астрономическую сферу с созвездиями, известными пульсарами, остатки сверхновой звезды как окрашенные точки и пунктир в небе, предназначаемом для поиска. Дополнительная информация о реальных текущих вычислениях обновляется и показывается в реальном времени.

Вся инфраструктура должна строиться, поддерживаться и постоянно дорабатываться в соответствии с изменяющимися требованиями ученых, одновременно приспосабливаясь к постоянно возрастающей вычислительной мощности, предлагаемой клиентами. Почти каждый новый поиск имеет свои уникальные требования, и даже одна новая особенность в научном применении часто требует многих изменений на стороне сервера. Исправления и улучшения поисковых кодов включаются и развертываются на лету. Наконец, для того, чтобы получить максимальную вычислительную мощность от ресурсов, прикрепленных к Einstein@Home, проводится постоянная работа, чтобы использовать улучшения в существующих и новых технологиях, таких как GPU и мобильные устройства.

Поиски проекта Einstein@Home

 

Непрерывные волновые гравитационные сигналы

Поиск непрерывных сигналов гравитационных волн (GW) в вычислительном отношении имеет определенные ограничения и требует относительно небольших данных при очень продолжительном времени их обработки. Это делает задачу очень подходящей для проекта добровольных распределенных вычислений.

Мы всегда развертывали наши ультрасовременные поиски на Einstein@Home. Во время написания этой статьи поиск “в эфире” является вторым продолжительным этапом поиска точек-кандидатов по всему небу. Наши усилия сконцентрированы на диапазоне нескольких сотен Гц вокруг самой высокой области чувствительности датчика, так называемого “ведра”. Мы выбрали 16 миллионов самых многообещающих точек из этой категории и теперь выполняем иерархию последующих этапов. Число шумовых кандидатов, которые выживают после каждой стадии, уменьшает их количество, а также неопределенность в параметрах сигнала.

Работа по проектированию характеристик и профилей следующего этапа таким образом, чтобы очередное продолжение было готово для запуска, поскольку текущая стадия уже заканчивается, оказала большое давление на команду анализа данных проекта: Ирен Ди Пальма, Шинейд Уолш, М.Алессандра Папа и Хайнц-Бернд Эггенштайн встречались в течение нескольких часов каждую неделю, чтобы обсудить результаты и оценить, как они влияют на планы относительно следующей стадии. Много этих встреч проходит через селекторные совещания: Ирен сейчас находится в Риме, Шинейд в Милуоки (США), а Хайнц-Бернд и М.Алессандра работают в Ганновере. Это было роскошью, что все они оказались под одной крышей в течение двух недель в начале мая!

Радиосигналы.

Первое (не гравитационное) расширение поисковых усилий в проекте Einstein@Home для нейтронных звезд родилось в начале 2008 благодаря сотрудничеству с Джеймсом Кордесом - астрономом Корнелльского университета и в то время председателем консорциума PALFA. Этот международный проект использует данные из Аресибо – самого большого однозеркального радиотелескопа в мире – чтобы найти новые пульсары.

 

В 2008 году консорциум PALFA имел в своих руках данные за 4 года, и ожидал собрать еще больше, так как их «тарелка» сканировала нашу Галактику с беспрецедентной чувствительностью. Анализ этого огромного объема данных оказался сложным для вычислительных мощностей, которыми располагал консорциум.

Большая часть команды Einstein@ Home в мае 2015 Слева направо. Первый ряд, стоя на коленях: Ирен Ди Пальма, Хайнц-Бернд Эггенштайн, M.Alessandra Папа, Дэвид Кейтель, Бенджамин Knispel, Оливер Бок. Второй ряд, стоящий: Колин Кларк, Брюс Аллен, Бернд Machenschalk, Шинейд Уолш, Avneet Сингх, Цзин Мин, Карл Wette Рейнхард Прикс. К сожалению, Бадри Кришнан и Хольгер Pletsch были в пути, когда мы встретились, чтобы сделать эту фотографию и поэтому их нет в кадре.

 

Для пульсаров с близкими двойными орбитами – астрофизически самых интересных – вычислительная задача была особенно трудна: никто не был в состоянии провести надлежащий поиск. Аллен и Корд скоро поняли, что огромная вычислительная мощность Einstein@Home идеально подходит для этой задачи. Вернувшись в AEI, небольшая группа постдоков и аспирантов, включая Книспель, быстро превратила идею в реальность, и в течение года были готовы выпустить новый поиск – «на волю».

В марте 2009 “Поиск двойных Пульсаров из набора данных Аресибо” был официально запущен в проекте Einstein@Home и начал обрабатывать накопленные данные. Поиск предназначался для радиопульсаров в наборах из двух тел с короткими орбитальными периодами всего 11 минут и уточнял более ранние исследования. Это заимствовало методы анализа данных у GW, таких как параметры метрики пространства, банк шаблонов и статистика их обнаружения.

Сначала были вновь открыты уже известные пульсары и это обеспечило полезную проверку на правильность функционирования поискового конвейера. Потребовалось чуть больше года, пока первый новый радио-пульсар по имени J2007+2722 не был обнаружен в проекте Einstein@Home в июле 2010. Это эпохальное открытие, не только для проекта, но и для добровольных распределенных вычислений в целом, было обнародовано только несколько недель спустя в короткой статье в «Science». J2007+2722 был необычным пульсаром – скорее всего один выброшенный из двухкомпонентной системы, когда ее звезда-компаньон взорвалась в сверхновую. Во время написания той заметки, Einstein@Home выловил второй пульсар, опять редкого вида. С тех пор проект нашел в общей сложности 27 радио-пульсаров в данных PALFA из Обсерватории Аресибо.

Einstein@Home также проанализировал архивные данные от радиотелескопа Паркса CSIRO в восточной Австралии. Многолучевое исследование пульсаров Парксом проводилось в 1990-х и несколько сотен пульсаров были найдены с помощью этих данных, которые затем несколько раз повторно анализировались. Einstein@Home делал попытку поиска между концом 2010 и серединой 2011 годов, и открыл 24 пульсара, которые были пропущены предыдущими попытками поиска, шесть из обнаруженных пульсаров были в двойных системах.

Для анализа данных телескопа Паркс было впервые использовано приложение для видеокарт волонтеров (GPU). Это приложение улучшалось в течение долгого времени и теперь работает полностью на GPU, достигая пятидесятикратного ускорения поиска.

С 2013 года Einstein@Home для задачи поиска пульсаров также имеет Android-приложение, которое позволяет добровольцам использовать свои смартфоны или планшеты для помощи проекту. В то время как вычислительная мощность одного конкретного устройства является относительно низкой, их огромное количество может компенсировать этот недостаток, и, возможно, на самом деле быть будущим распределенных добровольных вычислений.

В настоящее время поиск радио-пульсаров исчерпал отставание данных обсерватории Аресибо и обрабатывает новые данные, по мере их поступления. Кроме того, архивные наборы данных от Паркса были повторно проанализированы по расширенному пространству параметров.

Гамма-лучевые сигналы

Большинство нейтронных звезд до 2008 были обнаружены как радиопульсары, но было известно, что некоторые из них также испускают импульсные высокоэнергетические гамма-лучи. Хотя точный механизм гамма-излучения до сих пор неясен, поиск излучения высоких энергий открывает новые возможности для открытия нейтронных звезд.

 В 2008 НАСА запустило космический гамма-телескоп Ферми на низкую околоземную орбиту. Одним из главных научных инструментов Ферми является Large Area Telescope (LAT), который сделал улучшенные исходные каталоги за последние годы. В них пульсар-кандидаты появляются как неопознанные точечные источники с характерным энергетическим спектром.

Чтобы идентифицировать такие источники как пульсары, нужно проследить модуляцию времени прибытия гамма-фотонов периодом вращения нейтронной звезды – контрольный признак луча пульсара, несущегося по LAT. Однако в отличие от радиопульсаров, только очень немного фотонов зарегистрированы для каждого источника. Как правило, LAT обнаруживает примерно 1000 фотонов в год от источника. Другими словами, для пульсара с периодом 100 Гц единственный фотон регистрируется каждые 3,000,000 вращений!

Это означает, что объем данных для поиска очень мал. Тем не менее, слепые поиски периодичностей в малонаселенных выборках многолетних наборов данных требует, чтобы были просканированы огромные объемы параметров с очень высоким разрешением.

Так как эта проблема требует проводить много вычислительных циклов с очень маленькими входными данными, она идеально подходит для проекта Einstein@Home.

В середине 2011 года, Einstein@Home начал искать гамма-пульсары в данных Ферми. Это предприятие началось со встречи на конференции. В начале декабря 2010 года, Хольгер Плетч был на 25-й симпозиуме штата Техас по релятивистской астрофизике в Гейдельберге. Он получил свою докторскую степень в АЕI в Ганновере и разработал новые эффективные методы вычислительного поиска для непрерывных GW в проекте Einstein@Home.

В Гейдельберге, Плетч участвовал в разговоре о наблюдениях гамма-лучей пульсаров с Лукасом Гуиллемотом, в то время постдоком в радиоастрономическом Институте Макса Планка в Бонне.

Уже совместно Плетч и Аллен в 2009 г. указали, что предложенный метод поиска GW мог бы также быть применим к поиску гамма-лучевых пульсаров. Во время разговора с Гуиллемотом Плетч решил, что будет активно заниматься этой линией исследования. Плеч и Гуиллемот обсудили идею за ужином и тем же вечером сделали некоторые первые вычисления (в общих чертах) и проверили свою начальную догадку.

Тесное сотрудничество возникло в течение последующих месяцев, когда они реализовали новые программы поиска и подготовили данные для первого поискового пробега на кластере Атлас в Ганновере. В начале 2011 года, как только их поиск начал работать, сразу же стали находиться пульсары в данных Ферми, которые в предыдущие анализы были пропущены. Через несколько месяцев работы было открыто десять новых гамма-пульсаров, которые в то время составляли около трети всех известных подобных пульсаров, найденных только по их  гамма-излучению.

Этот быстрый успех продемонстрировал огромный потенциал нового метода поиска.

Это также послужило мотивацией для перемещения поиска на базу проекта Einstein@Home, обещая еще более глубокие обнаружения большего числа целей. Для использования в полной мере мощности Einstein@Home команда разработчиков провела лето, портируя аналитический код на среду BOINC. К августу 2011 первые задания поиска Фермиевского гамма-лучевого пульсара (FGRP) были отправлены на компьютеры волонтеров проекта.

В ноябре 2013 г. команда ученых Einstein@Home и Ферми опубликовала информацию об открытии четырех гамма-лучевых пульсаров, ни один из который не испускал радиоволн. С тех пор поисковый метод был значительно усовершенствован, чтобы повысить его эффективность. В настоящее время поиск FRGP на Einstein@Home анализирует ценность 6 летних данных Ферми от 300 “пульсароподобных” источников. Последний поиск также использует недавно выпущенные фермиевские данные с улучшенными оценками галактического фона гамма-излучения. Учитывая предыдущий успех, хорошо гарантирован оптимизм для новых открытий.

Эти гамма-лучевые пульсары, как правило, одни из самых энергичных и довольно близких нейтронных звезд. Поэтому – замкнем круг – эти открытия знакомят нас с объектами, которые также обещают приблизить нас к цели – обнаружению непрерывных гравитационных волн.

 

 

С июля 2013 поиск радио-пульсаров в проекте Einstein@Home доступен для устройств на базе Android. Чтобы использовать Ваш смартфон или планшет, загрузите приложение BOINC с Playstore и выберите Einstein@Home из списка проектов.