Введение
Astropulse – это подпроект SETI@home, использующий добровольные вычисления на базе платформы Berkeley Open Infrastructure for Network Computing (BOINC) для поиска первичных чёрных дыр, пульсаров и внеземного разума (ETI). Ресурсы добровольцев привлекаются через платформу BOINC. В 1999 году Космическая научная лаборатория запустила проект SETI@home, который предполагал использование массовых параллельных вычислений на персональных компьютерах по всему миру. SETI@home анализирует данные, полученные с радиотелескопа Аресибо, в поисках узкополосных радиосигналов из космоса, которые могут указывать на наличие внеземных технологий. Вскоре стало понятно, что эти же данные могут быть использованы для поиска других сигналов, представляющих интерес для астрономического и физического сообществ.
Astropulse is a volunteer computing project to search for primordial black holes, pulsars, and extraterrestrial intelligence (ETI). Volunteer resources are harnessed through Berkeley Open Infrastructure for Network Computing (BOINC) platform. In 1999, the Space Sciences Laboratory launched SETI@home, which would rely on massively parallel computation on desktop computers scattered around the world. SETI@home utilizes recorded data from the Arecibo radio telescope and searches for narrow bandwidth radio signals from space, signifying the presence of extraterrestrial technology. It was soon recognized that this same data might be scoured for other signals of value to the astronomy and physics community.
Разработка
Около 6 лет Astropulse находился в стадии экспериментального бета-тестирования, недоступной для широкой общественности. В июле 2008 года Astropulse был интегрирован в SETI@home, чтобы обширная сеть участников SETI также могла участвовать в поиске других ценных астрономических сигналов. Astropulse также вносит вклад в поиск внеземного разума (ET): во-первых, разработчики проекта полагают, что он может обнаруживать типы сигналов ET, которые не распознает исходный алгоритм SETI@Home; во-вторых, они считают, что он может укрепить поддержку SETI, предоставив второй потенциальный конкретный результат в рамках общего проекта поиска. Окончательная разработка Astropulse проходила в два этапа. Первым шагом было завершение ядра Astropulse на C++, способного успешно идентифицировать целевой импульс. После завершения программы команда создала тестовый набор данных, содержащий скрытый импульс, который успешно обнаружила завершенная программа, подтвердив тем самым способность ядра Astropulse успешно идентифицировать целевые импульсы. С июля 2008 года исследования были сосредоточены на внесении ряда улучшений в бета-версию, которые затем распространялись среди всех участников SETI. На уровне программирования разработчики в первую очередь стремятся обеспечить совместимость новых версий с различными платформами, после чего оптимизируют улучшенную версию для повышения скорости. По состоянию на апрель 2009 года Astropulse тестирует бета-версию 5.05. Будущее проекта зависит от продолжения финансирования SETI@home. Идея BOINC заключается в разделении больших объемов данных на более мелкие блоки, каждый из которых может быть распределен между отдельными рабочими станциями участников. В связи с этим проект начал внедрять ядро Astropulse в бета-клиент SETI и распространять реальные данные, разделенные на рабочие единицы Astropulse, среди группы бета-тестеров. Задача заключалась в обеспечении бесперебойной работы ядра Astropulse на широком спектре операционных систем. Текущие исследования направлены на внедрение улучшений алгоритма, которые устраняют или уменьшают количество ложных срабатываний.
Научные исследования
Астропульс ищет как одиночные импульсы, так и регулярно повторяющиеся импульсы. Этот эксперимент представляет собой новую стратегию в рамках SETI, предполагающую импульсы микросекундного масштаба времени, в отличие от более длительных импульсов или узкополосных сигналов. Также возможно обнаружение пульсаров и взрывающихся первичных чёрных дыр, которые оба излучают короткие широкополосные импульсы. Основная задача основного алгоритма Астропульса – когерентная дедисперсия микросекундных радиоимпульсов, которые ищет Астропульс. Дисперсия сигнала возникает при прохождении импульса через плазму межзвёздной среды (МЗС), поскольку высокочастотное излучение распространяется немного быстрее, чем низкочастотное. Таким образом, сигнал достигает радиотелескопа, рассеянный в зависимости от количества плазмы МЗС между Землей и источником импульса. Дедисперсия требует значительных вычислительных ресурсов, что делает её подходящей для распределённой вычислительной модели. Астропульс использует распределённую вычислительную мощность SETI@home, делегируя вычислительные подзадачи сотням тысяч компьютеров-добровольцев, чтобы добиться повышения чувствительности и временного разрешения по сравнению с предыдущими обследованиями. Широкополосные импульсы будут испытывать "чирп" при прохождении через межзвёздную среду, то есть высокочастотные компоненты будут прибывать раньше, а низкочастотные – позже. Следовательно, для импульсов с широкой полосой частот дисперсия указывает на внеземное происхождение сигнала. Астропульс ищет импульсы с мерами дисперсии от 50 до 800 (скоростями чирпа от 7000 до 400 в микросекунду), что позволяет обнаруживать источники практически в любой точке Млечного Пути. Разработчики проекта полагают, что Астропульс либо обнаружит взрывающиеся чёрные дыры, либо установит максимальную частоту возникновения таких событий на уровне 5, что в 10⁴ раза лучше, чем в любом предыдущем исследовании.
Вызовы
Любой проект в радиоастрономии сталкивается с проблемами, вызванными помехами, и эти проблемы особенно велики, когда целевые сигналы слабы или имеют мимолетную длительность. Регулярный и предсказуемый по продолжительности шум от военных радаров можно "подавлять" непосредственно у радиотелескопа. В научной литературе исследованы различные методы разработки алгоритмов для обнаружения и учета источников радиопомех от радаров, которые невозможно подавить таким образом.
Результаты
Astropulse начал вычисления в середине июля 2008 года. По состоянию на 2009 год, результаты были использованы в различных областях. Команда разработчиков, при поддержке волонтеров, работала над обеспечением эффективной работы программы на широком спектре операционных систем. Код был доработан и оптимизирован для сокращения времени вычислений на локальном компьютере. Результаты были проанализированы для корректировки алгоритмов с целью уменьшения числа ложных срабатываний, вызванных помехами или случайным фоновым шумом. На данный момент целевой сигнал обнаружен не был.
Потенциальные импульсные находки
Одна из целей Astropulse — обнаружить постулируемые мини-чёрные дыры, которые могут испаряться из-за «излучения Хокинга». Предполагается, что такие мини-чёрные дыры были созданы во время Большого взрыва, в отличие от чёрных дыр, известных в настоящее время. Проект Astropulse надеется, что это испарение породит радиоволны, которые Astropulse сможет обнаружить. Испарение не создаёт радиоволны напрямую. Вместо этого оно создаст расширяющийся огненный шар высокоэнергетических гамма-лучей и частиц. Этот огненный шар будет взаимодействовать с окружающим магнитным полем, выталкивая его и генерируя радиоволны. Ротационные радиотранзиенты (RRAT) — это тип нейтронных звёзд, обнаруженных в 2006 году командой под руководством Мауры Маклафлин из обсерватории Джодрелл-Бэнк при Манчестерском университете в Великобритании. Считается, что RRAT производят радиоизлучение, которое очень трудно локализовать из-за его непостоянного характера. Первые попытки позволили обнаружить радиоизлучение (иногда называемое вспышками RRAT) продолжительностью менее одной секунды в день, и, как и в случае с другими сигналами одиночных вспышек, необходимо проявлять большую осторожность, чтобы отличить их от наземных радиопомех. Распределённые вычисления и алгоритм Astropulse таким образом могут способствовать дальнейшему обнаружению RRAT. Импульсы с видимым внегалактическим происхождением были обнаружены в архивных данных. Предполагается, что сотни подобных событий могут происходить ежедневно и, в случае обнаружения, могут служить космологическими зондами. Радиопульсарные обзоры, такие как Astropulse SETI@home, предлагают одну из немногих возможностей для мониторинга радио неба на предмет импульсных всплесков длительностью в миллисекунды. Из-за изолированного характера наблюдаемого явления природа источника остаётся спекулятивной. К возможным источникам относятся столкновение чёрной дыры и нейтронной звезды, столкновение двух нейтронных звёзд, столкновение двух чёрных дыр или какое-то ещё не рассматриваемое явление. Однако в 2010 году был опубликован новый отчёт о 16 подобных импульсов, полученных с телескопа Паркс, которые явно имели земное происхождение. Предыдущие поиски SETI@home были направлены на обнаружение внеземных коммуникаций в виде узкополосных сигналов, аналогичных нашим собственным радиостанциям. Проект Astropulse утверждает, что, поскольку мы ничего не знаем о том, как могут общаться внеземные цивилизации, такой подход может быть несколько ограниченным. Таким образом, обследование Astropulse можно рассматривать как дополнение к узкополосному обзору SETI@home как побочный продукт поиска физических явлений. Радиоизлучение из космоса впервые было обнаружено Карлом Г. Янским (1905–1950), который работал радиоинженером в Bell Telephone Laboratories и изучал радиочастотные помехи от гроз для Bell Laboratories. Он обнаружил «постоянный шипящий статический шум неизвестного происхождения», который в конечном итоге он пришёл к выводу, что имеет внеземное происхождение. Пулсары (вращающиеся нейтронные звёзды) и квазары (плотные центральные ядра чрезвычайно далёких галактик) были открыты радиоастрономами. В 2003 году астрономы, использовавшие радиотелескоп Паркс, обнаружили две пульсары, вращающиеся друг вокруг друга — первую известную систему такого типа. Объясняя недавнее открытие мощного радиовсплеска, астроном NRL доктор Джозеф Лацио заявил: «Удивительно, но, хотя известно, что небо наполнено преходящими объектами, излучающими в рентгеновском и гамма-диапазонах, очень мало сделано для поиска радиовсплесков, которые часто легче генерируются астрономическими объектами». Использование когерентных алгоритмов дедисперсии и вычислительной мощности, предоставляемой сетью SETI, может привести к открытию ранее неизвестных явлений.
Астрономия в школах
Astropulse и его старший партнер, SETI@home, предоставляют учителям естественных наук в средней школе конкретный способ вовлечь своих учеников в изучение астрономии и вычислительной техники. В ряде школ организованы проекты, в рамках которых ученики участвуют в распределенных вычислениях.