Einstein@home

einstein@home

Snímek obrazovky programu během výpočtu. Bílé tečky jsou hlavní hvězdy hvězdné oblohy, které jsou součástí souhvězdí ; fialové tečky jsou známé rádiové pulsary; tmavě červené tečky jsou zbytky supernov ; oranžový zrak – studovaná oblast oblohy; červené, zelené, modré a šedé segmenty - gravitační detektory
Plošina BOINC
Velikost stahování softwaru 43–147 MB
Velikost načtených dat úlohy 6-100 MB
Množství odeslaných dat úlohy 15 kB
Místo na disku 120 MB
Využité množství paměti 80–184 MB
GUI Ano
Průměrná doba výpočtu úkolu 4-13 hodin
Uzávěrka 14 dní
Schopnost používat GPU nVidia , AMD / ATI (BRPx)
 Mediální soubory na Wikimedia Commons

Einstein@Home  je dobrovolnický počítačový projekt na platformě BOINC, který má otestovat Einsteinovu hypotézu o existenci gravitačních vln , které byly objeveny o 100 let později (v září 2015). V průběhu projektu byl původní cíl rozšířen: projekt nyní hledá také pulsary pomocí rádiových a gama-teleskopů. Projekt byl zahájen v rámci Světového roku fyziky 2005 a je koordinován University of Wisconsin-Milwaukee ( Milwaukee , USA ) a Institutem pro gravitační fyziku společnosti Maxe Plancka ( Hannover , Německo ), vedoucím je Bruce Allen . Aby bylo možné hypotézu otestovat, slouží atlas gravitačních vln emitovaných rychle rotujícími nesymetrickými neutronovými hvězdami ( pulsary ), woblery ( angl.  wobbling star ), akrečními ( angl.  accreting star ) a pulzujícími hvězdami ( angl.  oscilating star ) . se sestavují [1] . Data pro analýzu pocházejí z Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory (LIGO) a GEO600 . Kromě testování Einsteinovy ​​obecné teorie relativity a získání odpovědí na otázky "Šíří se gravitační vlny rychlostí světla ?" a "Jak se liší od elektromagnetických vln ?" [2] , přímá detekce gravitačních vln bude také představovat důležitý nový astronomický nástroj (většina neutronových hvězd nevyzáří v elektromagnetickém rozsahu a gravitační detektory mohou vést k objevu celé řady dosud neznámých neutronových hvězd [3] ). Přítomnost experimentálních důkazů nepřítomnosti gravitačních vln známé amplitudy ze známých zdrojů zpochybní velmi obecnou teorii relativity a pochopení podstaty gravitace .

Od března 2009 je část výpočetního výkonu projektu využívána k analýze dat získaných konsorciem PALFA z radioteleskopu observatoře Arecibo ( Portoriko ) za účelem hledání rádiových pulsarů v binárních hvězdných systémech [4] [5] . Během analýzy byly objeveny 2 nové dosud neznámé rádiové pulsary - PSR J2007+2722 (2010) a PSR J1952+2630 (2011). Analýza dat z radioteleskopu na Parkes Observatory ( Austrálie ) umožnila v letech 2011-2012 objevit 23 dosud neznámých radiových pulsarů [6] . Při zpracování nové části dat získaných observatoří Arecibo v letech 2011–2012. pomocí Mockova širokopásmového spektrometru bylo v letech 2011-2015 objeveno 28 nových rádiových pulsarů [7] . Celkový počet otevřených rádiových pulsarů je 54. V letech 2013-2016. Během analýzy dat z gama dalekohledu GLAST bylo objeveno 18 gama pulsarů [8] [9] . Dobrovolníci, jejichž počítače se podílely na objevu pulsarů, získávají od organizátorů projektu pamětní list [10] .

Výpočty v rámci projektu byly zahájeny na platformě BOINC v listopadu 2004 [11] . K 15. prosinci 2013 se ho zúčastnilo 355 367 uživatelů (2 471 906 počítačů) z 222 zemí, kteří poskytli integrovaný výkon asi 1 peta flops [12] . Do projektu se může zapojit kdokoli s počítačem připojeným k internetu . Chcete-li to provést, musíte na něj nainstalovat program BOINC Manager a připojit se k projektu Einstein@home.

Strategie vyhledávání [13] [14]

Hlavním úkolem výpočtů je extrahovat užitečný signál ( interferenční obrazec ) ze šumu, který je důsledkem tepelných vibrací atomů v zrcadlech, kvantové povahy světla , seismických pohybů zemské kůry nebo rezonančních vibrací vláken na na kterém je zavěšena optika. Proces detekce komplikuje také vliv rotace Země kolem Slunce a kolem jeho osy, které společně způsobují frekvenční posun signálu v důsledku Dopplerova jevu . Při zpracování dat je prováděna konzistentní filtrace signálu, která vyžaduje porovnání zašuměného vzorku s referenčním, a porovnání desetihodinových úseků pozorování („segmentů“) na interferometru s teoreticky předpokládaným vzorem, který by měl být vytvořeny gravitačními vlnami přicházejícími z rotujících neutronových hvězd, pravděpodobně umístěných v určitých oblastech nebeské sféry. Takové gravitační vlny jsou spojité ( anglicky  continuous-wave, CW ), mají konstantní amplitudu a jsou kvazi-monochromatické (mají v průběhu času mírný pokles frekvence). Při výpočtech se používá poměrně hustá mřížka (30 000 uzlů), která pokrývá celou oblohu (předpokládá se, že pulsar může být umístěn v jakémkoli bodě nebeské sféry v uzlech mřížky), a různé frekvence a jejich rychlosti změny (ve skutečnosti deriváty frekvence) jsou vytříděny.

Pomocí krátké Fourierovy transformace ( SFT ) jsou půlhodinové datové fragmenty z gravitačního dalekohledu rozděleny do sady 2901 souborů SFT (každý soubor zpracovaný na počítači uživatele pokrývá frekvenci spektra 0,8 Hz: 0,5 Hz užitečná data plus postranní laloky) , které dohromady pokrývají frekvenční rozsah od 50 do 1500,5 Hz. Rušení generované samotným přístrojem je co nejvíce odstraněno (nahrazeno Gaussovým bílým šumem ) podél předem známých čar ve spektru specifickém pro každý z detektorů. Výsledkem analýzy jsou informace o možných žadatelích identifikovaných při výpočtech pomocí Fisherova kritéria na server projektu (šum přístroje se řídí normálním Gaussovým rozdělením , vypočítané Fisherovo kritérium má rozdělení se čtyřmi stupni volnosti a jeho parametr Necentrované chí-kvadrát rozdělení je úměrné druhé mocnině amplitudy gravitační vlny). Vybraní kandidáti nerovnost splňují (při použití Houghovy transformace lze požadavky na kandidáty zmírnit na [15] ). Popsaný postup je proveden pro dva různé desetihodinové datové bloky, poté jsou výsledky porovnány a některé z nich odfiltrovány, lišící se frekvencí o více než 1 MHz a polohou na nebeské sféře o 0,02 rad. Výsledky jsou poté odeslány na projektový server k následnému zpracování, které spočívá v kontrole, že pro většinu datových sad by měly být získány odpovídající výsledky (v tomto případě mohou být v některých případech detekováni falešní kandidáti pulsaru kvůli přítomnosti hluku). Následné zpracování výsledků se provádí na výpočetním clusteru Atlas [16], který se nachází v Albert Einstein Institute v Hannoveru a obsahuje 6720 jader procesoru Xeon QC 32xx 2,4 GHz (špičkový výkon - 52 teraflopů, reálný - 32,8 teraflopů) [15] .  

Podobným způsobem lze analyzovat nejen data z gravitačních detektorů, ale také pozorování v rádiové , rentgenové a gama oblasti s detekcí pulsarů odpovídajících typů [17] .

Albert@Home Project

17. srpna 2011 byl spuštěn projekt Albert@Home [18] , jehož účelem je testování nových verzí výpočetních aplikací pro projekt Einstein@home. 23. prosince 2011 se v projektu objevily první výpočetní úlohy.

Analýza dat z gravitačních detektorů

Experiment S3 (dokončeno)

První výpočty, provedené od 22. února 2005 do 2. srpna 2005 , byly provedeny v rámci projektu při analýze dat z „třetího vědeckého startu“ (S3) gravitačního dalekohledu LIGO [14] . Bylo zpracováno 60 zaznamenaných segmentů dat ze 4 km detektoru LIGO v Hanfordu , každý z nich trval 10 hodin. Každý 10hodinový segment byl analyzován pomocí dobrovolných počítačů na přítomnost signálů gravitačních vln pomocí přizpůsobených filtračních algoritmů . Poté byly výsledky různých segmentů kombinovány při následném zpracování na serverech projektu za účelem zvýšení citlivosti vyhledávání a publikovány [19] .

Experiment S4 (dokončeno)

Zpracování dat sady S4 ("čtvrtý vědecký běh" LIGO) bylo zahájeno 28. června 2005 (při zpracování dat předchozí sady S3) a ukončeno v červenci 2006 . Tento experiment použil 10 30hodinových segmentů dat ze 4 km detektoru LIGO v Hanfordu a 7 30hodinových segmentů ze 4 km detektoru LIGO v Livingstonu , Louisiana . Kromě toho, že data nasbíraná z detektorů byla přesnější, bylo použito přesnější schéma kombinování výsledků výpočtů při následném zpracování. Výsledky byly publikovány v časopise Physical Review [20] .

Aby bylo možné otestovat algoritmy zpracování, je možné k experimentálním datům přidat hardwarové ( Hardware-Injected Signals ) a softwarové ( Software Injections ) poruchy ,  které napodobují přítomnost gravitačních vln v signálu . U hardwarového zdroje se provádí fyzický posun zrcadel detektoru, simulující průchod gravitační vlny; programy jsou založeny na programové úpravě zaznamenaných dat. Po získání hlavních dat experimentu S4 byly k signálu přidány poruchy z 10 hypotetických izolovaných pulsarů. Z toho pouze 4 byly detekovány při zpracování (signály ze 4 se ukázaly jako příliš slabé na pozadí šumu, 2 další byly identifikovány chybně).  

Projekt vzbudil zvýšenou pozornost mezi účastníky dobrovolného distribuovaného počítání v březnu 2006 v souvislosti s vydáním optimalizované verze výpočetního modulu pro analýzu datové sady S4, kterou vyvinul účastník projektu, maďarský programátor Akos Fekete ( anglicky  Akos Fekete ) [ 21] . Fekete vylepšil oficiální verzi aplikace pomocí SSE vector extensions , 3DNow! a SSE3 procesorové instrukční systémy , což vedlo ke zvýšení výkonu projektu až o 800 % [22] . Později byl přizván k účasti na vývoji nové aplikace S5 [23] . V červenci 2006 byla nová optimalizovaná aplikace široce distribuována mezi účastníky projektu, což přibližně zdvojnásobilo integrální produktivitu projektu ve srovnání s S4 [24] .

Experimenty S5Rn (dokončeno)

Analýza rané části dat z „pátého vědeckého startu“ (S5R1) z gravitačního dalekohledu LIGO, při kterém bylo poprvé dosaženo konstrukční citlivosti interferometru , byla zahájena 15. června 2006 . V tomto experimentu bylo analyzováno 22 segmentů po 30 hodinách ze 4 km detektoru LIGO v Hanfordu a 6 segmentů po 30 hodinách ze 4 km detektoru LIGO v Livingstonu podobným způsobem jako v předchozím experimentu. Získané výsledky, publikované rovněž ve Physical Review, jsou přesnější (cca 3x) díky použití většího množství experimentálních dat ve srovnání s S4 (nejpřesnější známý v době publikace) [25] .

Druhá část dat experimentu S5[ kdy? ] (S5R3) také mírně zvyšuje citlivost [26] . Zpracování dat experimentu bylo ukončeno 25. září 2008 . Na rozdíl od předchozích experimentů tento používá přizpůsobené filtrování 84 datových segmentů po 25 hodinách z gravitačních teleskopů LIGO v Hanfordu a Livingstonu, kombinované přímo na počítačích účastníků pomocí Houghovy transformace .

Od 13. ledna 2009 do 30. října 2009 byla zpracována data experimentu S5R5 (frekvenční rozsah do 1000 Hz). Nebyly zjištěny žádné statisticky významné signály gravitačních vln, omezení maximální amplitudy gravitační vlny, kterou jsou detektory schopny detekovat, je zvýšeno přibližně 3x (při frekvenci 152,5 Hz je to 7,6⋅10 −25 m), maximální dosah detekce Neutronů vyzařujících gravitační vlny hvězd se odhaduje na 4 kilo parseků (13 000 světelných let) pro hvězdu s elipticitou [15] .

V říjnu 2009 bylo zahájeno pokračování experimentu (S5R6), ve kterém byl frekvenční rozsah rozšířen na 1250 Hz.

Experimenty S5GC1 a S5GC1HF (dokončeno)

Dne 7. května 2010 byla pomocí vylepšené metodiky (hledání globálních korelací v prostoru parametrů za účelem efektivnějšího kombinování výsledků různých segmentů) zahájena nová fáze vyhledávání (S5GC1), během níž bylo 205 datových segmentů z 25 hodin každý z obou gravitačních teleskopů by měl být analyzován LIGO v Hanfordu a Livingstonu [3] [17] . Dne 26. listopadu 2010 bylo oznámeno rozšíření analyzovaného frekvenčního rozsahu z 1200 na 1500 Hz (S5GC1HF) [27] .

Experimenty S6Bucket, S6LV1, S6BucketLVE a S6CasA (dokončeno), S6BucketFU1UB (aktivní)

V květnu 2011 začala analýza nového kusu dat (S6Bucket). Dne 5. března 2012 byla oznámena implementace nového výpočetního modulu a spuštění odpovídajícího experimentu (S6LV1, "LineVeto") [28] . 14. ledna 2013 byl spuštěn experiment S6BucketLVE. 17. července 2013 byl zahájen experiment S6CasA [29] , jehož účelem je „řízené“ hledání gravitačních vln ze směru odpovídajícím supernově Cassiopeia A .

Analýza dat z rádiových a gama-teleskopů

Experimenty ABPx (dokončeno)

24. března 2009 bylo oznámeno, že projekt začíná analyzovat data konsorcia PALFA z observatoře Arecibo v Portoriku (ABPS, ABP1, ABP2). Zpracovávaná data byla získána pomocí spektrometru WAPP (šířka přijímaného pásma je 100 MHz, 256 kanálů).

Během analýzy dat shromážděných v letech 2005–2007 byly objeveny dva dosud neznámé rádiové pulsary.

BRP3 experiment (dokončeno)

26. listopadu 2009 byla oznámena aplikace (BRP3) s podporou technologie CUDA pro vyhledávání dvojitých rádiových pulsarů při zpracování nové části dat přijatých z radioteleskopu Parkes Multibeam Pulsar Survey (PMPS [ 30  ] ). Při výpočtech využívá jak CPU (provádějící hlavní část výpočtů), tak GPU NVIDIA ( Fourierova transformace ), což zkracuje celkovou dobu výpočtu asi 20krát [31] . Během analýzy bylo objeveno 23 nových radi-pulsarů [6] a znovu objeveno více než 100 známých, včetně 8 milisekundových pulsarů [32] .

Experimenty FGRP1 (dokončeno), FGRP2, FGRP3 a FGRP4 (aktivní)

Dne 1. června 2011 bylo oznámeno spuštění nového výpočetního modulu (FGRP1) pro analýzu dat z dalekohledu GLAST pracujícího v oblasti gama záření [ 33] . Koncem roku 2012 se objevily první výpočtové úlohy pro experiment FGRP2, při jehož analýze byly v roce 2013 objeveny 4 gama pulsary [8] . V lednu 2014 byl v rámci experimentu FGRP3 implementován výpočetní modul pro vyhledávání gama pulsarů pomocí GPU. V roce 2015 byl objeven 1 gama pulsar [34] .

Experimenty BRP4 (dokončeno), BRP4G, BRP5 a BRP6 (PMPS XT) (aktivní)

Dne 21. července 2011 byl spuštěn nový experiment (BRP4) ke zpracování čerstvé dávky dat z observatoře Arecibo. Data byla získána pomocí nového širokopásmového spektrometru Jeff Mock (šířka přijímaného pásma - 300 MHz, 1024 kanálů), pojmenovaného po jeho tvůrci [35] . Při zpracování zakázek je možné využít technologie CUDA a OpenCL. V současnosti bylo při zpracování experimentálních dat objeveno a znovu objeveno 24 a několik desítek již známých radiových pulsarů [7] . V roce 2013 byl zahájen experiment BRP5, jehož účelem je detailní studium ramene Persea za účelem hledání rádiových pulsarů. V únoru 2015 byl zahájen experiment BRP6 (PMPS XT), jehož účelem je rozšířit oblast hledání rádiových pulsarů směrem k vyšším rotačním frekvencím.

Vědecké úspěchy

2010

2011

15 objevených rádiových pulsarů _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ -1047 , PSR J1838-1848 , PSR J1821-0325 , PSR J1950+24 , PSR J1952 J+ 107 , PSR J1952 J+107 , PSR 2107 , PSR ).

2012

30 objevených rádiových pulsarů _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ J1601-5023 , PSR J1726-3156 , PSR J1855 + 03 , PSR J1857+0259 , PSR081+0259 , PSR01 +01 J051 J1900+0439 , PSR J1953+24 , PSR J1305-66 , PSR J1637-46 J1652-48 , PSR J1838-01 , PSR J0811-38 , PSR J1750-25 , J1305-66 , PSR-SR 7758- PSR 026 . 44 , PSR J1644-46 , PSR J1908+0831 , PSR J1903+06 , PSR J1912+09 ).

2013

Byl objeven 1 radiový pulsar ( PSR J1859+03 ) a 4 gama pulsary ( PSR J0554+3107 , PSR J1422-6138 , PSR J1522-5735 , PSR J1932+1916 ).

2014

Objeven 1 rádiový pulsar ( PSR J1910+07 ).

2015

Bylo objeveno 5 rádiových pulsarů ( PSR J1948+28 , PSR J1953+28 , PSR J1955+29 , PSR J1853+00 , PSR J1853+0029 ) a 1 gama pulsar ( PSR J1906+0722 ).

2016

Objeveno 13 gama pulsarů _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ , PSR J1650-4601 , PSR J1827-1446 , PSR J1844-0346 , PSR J2017 + 3625 )

Poznámky

  1. ↑ Jaké jsou cíle Einstein@Home? (nedostupný odkaz) . Získáno 4. května 2011. Archivováno z originálu 12. srpna 2012. 
  2. ↑ Lenta.ru: Pokrok: Uživatelé internetu byli vyzváni, aby potvrdili Einsteinovu teorii . Získáno 6. července 2020. Archivováno z originálu dne 2. prosince 2020.
  3. ↑ 1 2 2Fyzika: Nejhlubší celooblohové průzkumy pro spojité gravitační vlny . Datum přístupu: 3. května 2011. Archivováno z originálu 1. června 2012.
  4. ↑ Archivovaná kopie . Získáno 3. května 2011. Archivováno z originálu dne 11. května 2011.
  5. ↑ Hledání Einstein@Home Arecibo Radio Pulsar . Získáno 3. května 2011. Archivováno z originálu dne 27. července 2011.
  6. ↑ 1 2 Einstein@Home objevy PMPS . Získáno 7. července 2011. Archivováno z originálu dne 25. května 2012.
  7. ↑ 1 2 Einstein@Home Arecibo Mock spektrometr detekce pulsarů . Získáno 28. října 2011. Archivováno z originálu 18. června 2016.
  8. ↑ 1 2 Dobrovolníci Einstein@Home Objevte čtyři „mladé“ gama-paprskové pulzary . Datum přístupu: 15. prosince 2013. Archivováno z originálu 2. prosince 2013.
  9. ↑ Objev 13 nových gama pulsarů dobrovolníky Einstein@Home . Datum přístupu: 24. února 2016. Archivováno z originálu 4. března 2016.
  10. ↑ Discovery Certificates . Získáno 4. června 2012. Archivováno z originálu 3. června 2012.
  11. ↑ BOINCstats | Einstein@Home — Přehled kreditů Archivováno 16. září 2011.
  12. ↑ Stavová stránka serveru Einstein@Home . Datum přístupu: 17. července 2011. Archivováno z originálu 27. července 2011.
  13. ↑ Výsledky zpracování dat LIGO Science Run 3 v projektu Einstein@Home (nepřístupný odkaz) . Získáno 8. ledna 2008. Archivováno z originálu 5. prosince 2008. 
  14. ↑ 1 2 Shrnutí analýzy Einstein@Home S3 . Získáno 25. března 2007. Archivováno z originálu dne 24. srpna 2011.
  15. ↑ 1 2 3 Aasi, J. et al. (2012), Einstein@Home celooblohové vyhledávání periodických gravitačních vln v datech LIGO S5, arΧiv : 1207.7176 [astro-ph.IM]. 
  16. ↑ TOP500 Archivováno 16. srpna 2012.
  17. ↑ 1 2 Holger J. Pletsch; Bruce Allen. Využití korelací ve velkém měřítku k detekci spojitých gravitačních vln  // Physical Review Letters  : journal  . — Sv. 103 , č. 18 . — S. 181102 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.103.181102 . - .
  18. ↑ Albert@Home . Získáno 4. ledna 2012. Archivováno z originálu 6. ledna 2012.
  19. ↑ Shrnutí analýzy Einstein@Home S3 . Získáno 3. května 2011. Archivováno z originálu dne 27. dubna 2011.
  20. ↑ Einstein@Home hledání periodických gravitačních vln v datech LIGO S4  // Physical Review D  : journal  . — Sv. 79 , č. 2 . — S. 022001 . - doi : 10.1103/PhysRevD.79.022001 . - .
  21. ↑ Profil: akosf Archivováno z originálu 25. května 2011.
  22. ↑ Nové odkazy na optimalizované spustitelné soubory – vlákno POUZE PRO čtení . Získáno 3. května 2011. Archivováno z originálu dne 27. července 2011.
  23. ↑ Programátor zrychluje hledání gravitačních vln - tech - 17. května 2006 - New Scientist . Získáno 29. října 2017. Archivováno z originálu 11. května 2015.
  24. ↑ Archivovaná kopie . Získáno 22. srpna 2006. Archivováno z originálu 20. srpna 2006.
  25. ↑ Einstein@Home hledání periodických gravitačních vln v raných datech S5 LIGO  // Physical Review D  : journal  . — Sv. 80 , č. 4 . — S. 042003 . - doi : 10.1103/PhysRevD.80.042003 . - .
  26. ↑ Strategie vyhledávání S5R3? . Získáno 3. května 2011. Archivováno z originálu dne 27. července 2011.
  27. ↑ Nadcházející vyhledávání . Získáno 7. července 2011. Archivováno z originálu dne 14. března 2012.
  28. ↑ Změny aplikace . Získáno 5. března 2012. Archivováno z originálu 10. března 2012.
  29. ↑ Spuštěno řízené vyhledávání Gravitational Wave S6 (CasA) . Datum přístupu: 15. prosince 2013. Archivováno z originálu 15. prosince 2013.
  30. ↑ Průzkum Parkes Multibeam Pulsar Survey (odkaz není k dispozici) . Získáno 7. července 2011. Archivováno z originálu dne 6. června 2011. 
  31. ↑ Aplikace ABP1 CUDA . Získáno 3. května 2011. Archivováno z originálu dne 27. července 2011.
  32. ↑ Einstein@Home Arecibo Binary Radio Pulsar Search Detection Page . Získáno 3. května 2011. Archivováno z originálu dne 22. dubna 2011.
  33. ↑ Otázky, komentáře a problémy týkající se nového vyhledávání gama pulsarů Fermi LAT . Získáno 7. července 2011. Archivováno z originálu dne 14. března 2012.
  34. ↑ Institut Maxe Plancka pro gravitační fyziku (Institut Alberta Einsteina) | Novinky z výzkumu | AEI Hannover | Hidden in Plain Sight (nedostupný odkaz) . Získáno 5. 8. 2015. Archivováno z originálu 6. 9. 2015. 
  35. ↑ Einstein@Home zahájí zpracování dat Arecibo "Mock" . Získáno 23. července 2011. Archivováno z originálu dne 25. září 2011.

Odkazy

Diskuse k projektu na fóru:

Viz také

 Gravitační vlnová astronomie : detektory a dalekohledy
Podzemní interferometrické
(funkční)
Pozemní interferometrické
(funkční)
Uzemněte ostatní
(fungující)
Pozemní
(plánované)
Prostor
(plánováno)		LISA
historický
Analýza dateinstein@home
Signály ( seznam )