Af Caspar Haarløv, Alt om Data
Denne artikel er oprindeligt bragt på Alt om Data. Computerworld overtog i november 2022 Alt om Data. Du kan læse mere om overtagelsen her.
Bjergene udenfor La Serena i det nordlige Chile er perfekte observationsposter for astronomer. Her er man langt fra forstyrrende lys, nætterne er klare, og med tiden er området blevet hjemsted for flere stjerneobservatorier end noget andet sted på jorden. Nu rejser der sig en ny udkigspost mod det uendelige univers, Large Synoptic Survey Telescope, LSST.
Ordet ”Large” skal tages helt bogstaveligt. For kernen i det nye observatorium er intet mindre end verdens største digitalkamera. Det er naturligvis ikke et kamera, du sådan lige kan snuppe med i lommen, men i princippet er det bygget på samme måde som digitale spejlreflekskameraer fra kendte fabrikater som Nikon og Canon.
Målet er ligeså ambitiøst, som det er simpelt: Fra det nye observatorium skal der konstant optages billeder af hele den synlige himmel i hidtil uset dybde og detaljeringsgrad over flere bølgelængder. Ved at sammenligne billederne løbende vil man kunne opdage nye himmellegemer, eksploderende stjerner eller andre forandringer i himmeldybet. På den måde vil man også kunne advare om asteroider med kurs mod Jorden.
Hensigten er samtidig at skabe en 3D-model af universet, der skal gøre os klogere på vores eget solsystem, Mælkevejen, fortælle om forandringer og bevægelser i Universet og svare på spørgsmål vedrørende den mystiske mørke energi, der ser ud til at drive Universets udvidelse.
Vejer næsten 3 ton
Selve LSST-kameraet inde i observatoriet er det største digitalkamera, der nogensinde er bygget. Det fylder 1,65 meter på den ene led og hele 3 meter på den anden, og det vejer 2800 kilo – altså næsten 3 ton.
De store dimensioner skyldes den enorme sensor, der er sammensat af 189 individuelle 16 mp-sensorer, der er organiseret i grupper med tre gange tre sensorer. Disse grupper fungerer i princippet som 21 selvstændige kameraer. Hvert færdigt billede er derfor en sammensmeltning af en række mindre billeder. Sammenlagt giver det en opløsning på 3,2 gigapixel.
Men hvor meget er så 3,2 gigapixel? I en mere kendt målestok svarer det til 3200 megapixel eller 266,66 gange mere end de 12 megapixel, som en ny mobiltelefon typisk byder på i dag. Skulle man have lyst til at se et sådant billede i fuld størrelse, ville det kræve 1500 HD-skærme.
Sensorerne skal ikke kun se den slags lys, som vi mennesker kan se, men opfanger også bølgelængder fra det næsten ultraviolette til det næsten infrarøde spektrum – altså en masse lys, som det menneskelige øje ikke kan indfange. Sensorerne understøttes af fem farvefiltre, der ved hjælp af en skiftemekanisme automatisk føres hen over sensoren, så man bedre kan se selv de svagest lysende himmellegemer og kan analysere, hvilke stoffer pla-neter, sole og galakser består af.
Optisk vignettering (kantmørkning) undgås ved at placere sensorerne i midten af teleskopet – og ikke helt ude ved kanten. Varmeafledningen kontrolleres omhyggeligt for at undgå termiske gradienter af det indkomne lys, altså at lyset forstyrres af opvarmning i kameraet.
Linsen – også kaldet teleskopet – er 8,4 meter lang og sender lyset gennem tre spejle, hvilket sikrer et forholdsvis bredt synsfelt. ”Synsvinklen”, som kameraet retter mod det ydre rum, er på 3,5 grader. Det svarer til, at hvert billede viser et udsnit af nattehimlen, der fylder det samme som 40 fuldmåner. LSST tager 800 billeder hver nat, og på to uger har kameraet affotograferet hele den synlige himmel.
Ekstreme datamængder
Håndtering af de kolossale mængder data er en særskilt udfordring. Hver nat produceres 15 terabyte data. På 10 år giver det 60 petabyte. Behandlingen af disse vil resultere i en database på 15 petabyte.
Den samlede datavolumen efter bearbejdning vil blive til flere hundrede petabyte.
Er det slemt? Ja, for blot en enkelt petabyte svarer til 1000 terabyte, som igen svarer til 1 million gigabyte. Og hvis man konsulterer Wikipedia, kan man læse, at blot 2 petabyte er det samme som den samlede datamængde på alle amerikanske forskningsbiblioteker.
Solid computerkraft
Datastyringssystemet er opbygget i tre lag: et infrastrukturlag bestående af computer-, storage- og netværkshardware og systemsoftware, et middleware-lag, der håndterer distribueret behandling, datatilgang, brugergrænsefladen og systemoperationstjenesterne, og et applikationslag, der omfatter data-pipelines og produkter og videnskabsdata-arkiver.
Sammenligningen mellem forskellige optagelser af det samme himmeludsnit er baseret på en metode, der kaldes billed-subtraktion. Det er en proces, som fremhæver forskelle mellem to eksponeringer i samme felt, og den tilknyttede computer er designet til hurtigt at opdage interessante forbigående hændelser i billedstrømmen og udsende advarsler inden for 60 sekunder efter afslutningen af billedvisningen. Det betyder, at LSST kan advare om meteorer med retning mod jorden og andre trusler fra det ydre rum i god tid, før truslen er overhængende.
Hvert år behandles hele det tilgængelige datasæt. Meningen er, at dette skal gentages i 10 år, så alle forskelle registreres og behandles med det formål at øge dybden og fuldstændigheden af de tilgængelige data.
Data sendes i første omgang til et datacenter i umiddelbar nærhed af kameraet, der gemmer på den første kopi. Derefter sendes billederne via to 40 Gbit-links til et datacenter i Illinois i USA, hvor der gemmes en kopi, og hvor en supercomputer foretager de ønskede beregninger.
Det kræver en stærk computer. Men der er dog ikke tale om, at computerkraften overstiger alle andre supercomputere i verden. De 150 teraflops, som behandlingen i første omgang er sat til, kan dårligt nok få computeren ind blandt de 500 stærkeste supercomputere. Det har til gengæld den fordel, at man bevæger sig inden for kendte grænser for teknologiens formåen.
Hvert år sendes desuden 6000 TB i billeder ud til offentligheden, så både professionelle, amatører og studerende kan få glæde af materialet og bidrage til forskningen. Eller bare beundre billederne …
Hele universet i 3D
Målet med det hele er at skabe et 3D-kort over universet. Intet mindre. Det skal gøre os alle sammen klogere på især de mystiske fænomener mørkt stof og mørk energi. Og det skal føre til en katalogisering af de flere millioner af himmellegemer i konstant bevægelse, der udgør vores eget solsystem.
LSST vil være i stand til at registrere asteroider helt ned til 140 meter i diameter. Og ved hjælp af den automatiserede sammenligning af gentagne optagelser af de samme motiver, vil LSST lære os om forandringer og bevægelser i universet.
Endelig vil vi kunne undersøge vores egen galakse, Mælkevejen, i en detaljeringsgrad, der er 1000 gange større end med de eksisterende kort og dermed få informationer om farven og lysstyrken for milliarder af nye stjerner, informationer, der kan oversættes til viden om disse soles alder, sammensætning og størrelse.
Danmark vil med
Jens Hjort fra Niels Bohr Instituttet glæder sig til de nye kamera.Fra dansk side arbejder man på at blive en del af den videnskabelige del af LSST-projektet. Professor Jens Hjorth, Niels Bohr Instituttet, forklarer, at data fra LSST er en potentiel guldmine for videnskabelige undersøgelser.
Det er mængden af data der i første omgang er afgørende. Men for Niels Bohr Instituttet er det vigtigste, at LSST skal bruges til at studere det variable univers. ”Man kan sige, at LSST åbner for et nyt parameter-rum for kilder, der varierer meget hurtigt, er meget sjældne, eller er meget svage,” siger Jens Hjorth og føjer til: ”Når man i dag opdager en supernova, skyldes det, at den lyser meget stærkt.
Derfor ser vi den først 10 dage efter den er eksploderet. Men LSST fotograferer den samme del af himlen hver tredje dag. Derfor vil man kunne se ting meget tidligere. Ting vi aldrig har set før.”