Superdator i astronomernas tjänst

Ett konventionellt radioteleskop ser ut som – och är – en enorm parabolantenn. Den fångar upp den enormt svaga strålningen från avlägsna radiokällor och samlar ihop strålningen i en mottagare som sitter i parabolens fokus. Hälften av kostnaden för ett sådant teleskop är själva stålkonstruktionen. Stora teleskop blir därför ofantligt dyra och lär inte bli särskilt mycket billigare med tiden.

I Holland arbetar man nu på en ny typ av teleskop, och det holländska går under namnet LOFAR. Istället för en enorm riktbar antenn så består LOFAR av en enorm skog av små, relativt enkla antenner. Närmare bestämt 25 000 i LOFAR:s fall.

Antennerna är sinnrikt placerade i ett cirkulärt område med 350 km diameter. De tar emot strålning från alla håll och är förbundna med ett hypersnabbt fibernät. De fungerar som en interferometer, vilket betyder att en dator samlar all data från antennerna och via avancerad datateknik får skogen av antenner att fungera som en enorm parabolantenn med 350 km diameter. Datorn sätter sedan samman mottagarnas signaler till en bild som astronomerna kan förstå.

Den dominerande kostnaden står elektroniken för. Därför sjunker priset på den här typen av teleskop allt eftersom elektroniken utvecklas, i princip med Moores lag, som säger att prestandan på datorerna fördubblas ungefär vartannat år.

LOFAR står för Low Frequency Array, och arbetar som namnet antyder med de i astronomiska sammanhang låga frekvenserna under 250 MHz. Det finns dock inget tekniskt hindrar att i framtiden bygga liknande teleskop för andra frekvensområden.

Dataströmmar

En av kuggarna i LOFAR:s datormaskineri är Erik Zeitler, som är datalog i forskningsgruppen UDBL (Uppsala databaslaboratorium) på Institutionen för informationsteknologi i Uppsala. Han arbetar på ett program, en ny sorts databashanterare, som hanterar data som strömmar igenom den Blue Gene-superdator som är LOFAR:s hjärna.

En vanlig databashanterare, som de kommersiellt tillgängliga Oracle och MySQL, är ett program som hanterar data som lagras på en hårddisk. Användaren kan ställa frågor via databashanteraren, som sedan går igenom det lagrade datat och levererar ett svar i form av en tabell.

En dataströmhanterare som den Erik arbetar med hanterar istället en dataström med kontinuerligt föränderliga data. När en användare ställer en fråga till dataströmhanteraren så får användaren inte tillbaka en statisk tabell. Istället blir det som att knäppa på en radio: dataströmhanteraren lyssnar konstant på inkommande dataströmmar och analyserar dem i enlighet med användarens fråga. Resultatet blir i sig en ström, var innehåll styrs av inkommande strömmar och den fråga som användaren ställt.

Och det är här Erik och de andra forskarna vid UDBL kommer in. De vill göra det så enkelt som möjligt för astronomerna att ställa frågor och få ut svar som är meningsfulla.

– Man kan säga att vi gör ett skikt, ett lager som gör det lättare för astronomerna att snabbt och enkelt kommunicera med datorn. Genom att ge astronomerna en dataströmhanterare så tar det minuter istället för veckor för dem att ställa en fråga och få svar på den.

En av världens snabbaste datorer

Den dator Erik arbetar med, en Blue Gene, är en parallelldator. Det betyder att den har ett antal processorer som arbetar parallellt. De tickar alla på med varsin del av problemet som datorn ska lösa, och när allt är klart sätter datorn samman alla delar till en helhetslösning. Parallelldatorer kan göras enormt kraftfulla, men de är å andra sidan svåra att programmera.

– Det är en hel vetenskap hur man implementerar metoder på en parallelldator, säger Erik Zeitler. Den stora anledningen till att man gör parallelldatorer är att det inte går att göra vanliga datorer med tillräcklig prestanda. Processortillverkarna har helt enkelt kommit till gränsen för vad som är fysiskt möjligt att klämma in i en processorkärna. Kvantmekaniska och andra effekter sätter stopp. Detta märks också i persondatorer, där de vassaste redan idag har fler än en processorkärna.

Blue Gene är massiv i sin parallellism. Den dator Erik har tillgång till har 12 000 processorer, och är världens nionde snabbaste superdator.

Och det behövs, för det är enorma informationsmängder den ska behandla. Varje antenn levererar ungefär 1 gigabit per sekund – en miljard informationspaket varje sekund. Tillsammans gör det att superdatorn måste kunna behandla 20 terabit per sekund. Det är ungefär jämförbart med att se 600 långfilmer, varje sekund, och hålla reda på varje liten mikroskopisk detalj!

Rymden genererar mest data

Just denna ofantliga datamängd är vad som lockar Erik Zeitler.

– Rymdforskningen är nog bäst på att producera stora mängder data. Många pratar om hur dataintensiv bioinformatiken och de stora sekvenserings-projekten som HUGO är. Men de kan till och med unna sig lyxen att spara alla sina data på disk säger Erik Zeitler och småler. Det skulle aldrig fungera för LOFAR.

Och det är klart, Erik och hans kollegor skulle fylla hundra hyfsade hårddiskar i sekunden. Det blir några på ett år.

Den oerhörda datahastigheten ställer till andra problem också. det finns ingen nätleverantör som kommer i närheten av att klara av 20 terabit i sekunden. Därför har ASTRON, som organisationen som driver LOFAR heter, fått bygga ett eget fibernät över stora delar av norra Holland.

Efter CERN – Big Bang

När Erik Zeitler och de andra knappat färdigt och astronomerna verkligen kan börja arbeta så ska LOFAR bland annat studera hur de allra första stjärnorna och galaxerna bildades, den så kallade Epoch of Re-ionization, återjoniseringsepoken. När de första stjärnorna bildades så hade det tidigare joniserade universum sedan länge bestått av neutral gas. Men när de tändes så joniserade de gasen i sin närhet, och universum blev för första gången på länge joniserat igen. Frågor som man hoppas att LOFAR kan svara på är när detta inträffade och hur fördelningen av gas såg ut i universum vid den tidpunkten.

LOFAR ska också studera mer närliggande fenomen, som eruptioner på solytan för att kunna förutsäga effekterna av dessa på Jorden.

Nya typer av instrument har dessutom i stort sett alltid givit upphov till oväntade upptäckter. Så astronomerna är spända på att se vad LOFAR kan leverera för överraskningar. Det finns ett annat skäl till att göra alla dessa analyser också. Man studerar det allra största som finns för att lära sig mer om det allra minsta.

På den europeiska forskningscentrumet för partikelfysik, CERN, ska man snart ta i bruk en ny partikelaccelerator. Den heter LHC, Large Hadron Collider, och den ska kollidera protoner och antiprotoner i nära på ljushastighet. Men efter LHC är det i princip stopp.

– Det är svårt att bygga acceleratorer särskilt mycket större än LHC, säger Erik Zeitler. Det kanske går att pressa dem lite till, men vad ska vi göra sedan för att se djupare in i partiklarnas värld? Då måste vi ta till det ultimata partikelexperimentet – Big Bang.