Revista >> Septembrie 2019 [Nr. 217] >> Cover Story

Misiunea LISA, contribuția românească și începutul unei noi ere în astrofizică

Alexandru Batali

23 Septembrie 2019

Aflăm detalii despre stadiul de realizare al CAS și despre etapele care urmează de la dr. Eugeniu Mihnea Popescu: „În prezent ne aflăm în faza de design, de proiectare a senzorului, de stabilire a specificaţiilor tehnice. Pe măsură ce designul prototipului (engineering model) de senzor se va concretiza şi vom ști cum arată subsistemele, vor fi achiziţionate echipamente noi pentru a demonstra că prototipul senzorului, ce va fi dezvoltat în ISS la nivel de TRL2 – TRL3, poate opera în condiţiile cerute de Misiune. Toate cerinţele şi exigentele tehnice necesare dezvoltării senzorului la nivel de TRL9 vor fi îndeplinite până în 2034, modelul de zbor al sistemului CAS urmând să fie dezvoltat de industrie. Fiecare componentă a senzorului va fi testată, realizată şi certificată de industria din România, de la sistemul optic până la camera CCD, concepute în aşa fel încât să aibă aceleaşi caracteristici de operare cu cele gândite de institut, capabile să reziste la vibraţiile lansării şi la condiţiile specifice din spaţiu.”

Studii științifice, procesare de date și inteligență artificială
În această arie, ISS va avea mai multe contribuții: simulări și studii științifice, analiză de semnal și procesare de date. Prin simularea proceselor astrofizice care generează unde gravitaționale, rezultate, de exemplu, în urma coliziunilor de găuri negre, echipa ISS va stabili elementele esențiale pentru înțelegerea semnalelor ce urmează să fie detectate, cât și cerințele tehnologice ale echipamentelor de detecție. De asemenea, ISS va dezvolta cataloage de mase de găuri negre pentru estimarea numărului de evenimente pe care Misiunea LISA le-ar putea detecta.

Dr. Laurențiu Ioan Caramete, șeful Laboratorului de Cosmologie și Fizica Astroparticulelor din cadrul ISS, subliniază importanța simulărilor și a studiilor ce urmează să fie efectuate: „Pentru că sistemele ce produc unde gravitaționale nu sunt complet sferice şi comportarea lor poate fi foarte diferită de la un sistem la altul, avem nevoie să simulăm întregul ansamblu. De exemplu, o gaură neagră nu este o regiune goală din spaţiu: de cele mai multe ori are un disc de acreţie, acretează materie din jurul său şi în unele cazuri poate avea şi jet. În momentul în care două obiecte care se ciocnesc sau care se află în interacţiune gravitaţională vor începe să schimbe şi masă, vom avea fenomene de transfer de masă. Putem avea o gaură neagră în relaţie cu o stea neutronică sau alt tip de sisteme exotice în care avem unde gravitaţionale ce vin de la mai multe tipuri de sursă. Toate aceste sisteme şi combinaţiile de parametri dintre ele trebuie simulate şi realizat astfel un mare Catalog de semnale curate. Acestea vor trebui analizate şi caracterizate, pentru fiecare se va genera un anumit tip de zgomot şi vom încerca să vedem cum separăm semnalul de zgomot. Vom realiza şi un Catalog de mase de găuri negre şi vom determina astfel distribuţia de masă a primei populaţii de găuri negre, un pas important pentru a afla cum s-au format în Univers cele dintâi sisteme de acest tip. Avem deja o analiză în cadrul ISS, prin care încercăm să propagăm în timp modul de creştere a găurilor negre şi să reproducem prima populaţie de găuri negre. Dacă aflăm distribuţia de masă şi numărul lor vom putea spune misiunii LISA la câte semnale de unde gravitaţionale se poate aştepta.”

Totodată, dr. Laurențiu Ioan Caramete conduce împreună cu un partener de la NASA unul dintre Pachetele de Lucru ale colaborării, numit „Low-latency pipeline”. Scopul acestui pachet este de a obține o analiză mult mai rapidă a datelor colectate de sateliți, pentru a transmite alerte în timp cât mai scurt către viitoarele experimente și observatoare din domeniul astronomiei gravitaționale, astfel încât acestea să facă observații complementare ale aceluiași fenomen. Această colaborare între diverse infrastructuri spațiale și la sol face parte dintr-un domeniu nou al astronomiei, numit „astronomie multimesager”. „Obiectivul grupului nostru de lucru este de a furniza misiunii o metodă mult mai rapidă de analiză a datelor, pentru a putea genera alerte pentru Science Operating Center-ul LISA. Totodată, pentru a se realiza o analiză mult mai fină a semnalului detectat, se vor face şi recomandări pentru blocarea timpului de observaţie când se preconizează evenimente astronomice majore, perioadă în care detectorii nu vor fi supuşi niciunui tip de intervenţie (calibrări, întreruperi în achiziţia de date, etc). În acest fel, observaţiile se vor putea efectua în cele mai bune condiţii, fără riscuri asociate. Alertele vor ajunge şi la partenerii externi reprezentaţi de alte misuni spaţiale sau de entităţile care fac experimente la sol, care vor putea reorienta antenele şi experimentele în direcţiile şi pe intervalale de timp anunţate de noi. Se intră astfel în era multi-messenger astronomy”, precizează dr. Laurențiu Ioan Caramete.

În această direcție, echipa de la ISS a câștigat un proiect ESA prin care își propune să realizeze analize de date folosind o rețea neuronală, o tehnică de inteligență artificială care poate aduce inovații deosebite în astronomie. Tehnologia pe care ISS dorește să o dezvolte constă dintr-un pachet software de tip rețele, formate din mai mulți neuroni ce sunt antrenați să recunoască anumite tipuri de semnale (forme de undă gravitațională), cum sunt, de exemplu, cele care vin doar de la coliziunea de găuri negre. Mai mult, echipa de la ISS și-a propus să ruleze o astfel de rețea neuronală pe un hardware dedicat (FPGA) ce are specificații de calcul superioare unui procesor de calculator obișnuit.

Dr. Laurențiu Caramete explică de ce este necesară o nouă metodă de analiză a datelor: „Analiza datelor spaţiale durează în prezent foarte mult: datele de la sateliţi sunt preluate de un Mission Operation Center, care prelucrează semnalul brut şi îl trimite ulterior către Science Operation Center, care efectuează un alt tip de analiză, ce poate dura chiar şi 24 de ore, în încercarea de a vedea dacă semnalul poate fi curăţat de zgomote. Metoda pe care o avem în vedere va determina o analiză mult mai rapidă şi va genera un rezultat mai prompt. Va fi minimizat astfel riscul pierderii semnalului înainte de a se produce şi nu vom mai rata observarea unor fenomene importante.”

Centru de Calcul dedicat
O altă contribuție adusă de ISS este în zona de computing, componentă condusă de dr. Sorin Ion Zgură. ISS va pune la dispoziția colaborării un centru de calcul special, la Măgurele, care va face analiză de date, simulări și stocare de date. Pentru asigurarea acestei componente se va folosi întreaga expertiză acumulată de Institutul de Științe Spațiale în colaborarea sa de lungă durată cu CERN.

ISS are un DataCenter modern, decorat în stil neoplasticist, după pictorul olandez Piet Mondrian. Acest DataCenter este unul foarte performant, proiectat și realizat pentru o structură scalabilă de procesare, stocare și implicit răcire și asigurarea funcționalității. În prima fază, activitățile conexe pregătirii misiunii LISA vor fi găzduite în centrul actual al ISS, dar în viitor este planificată dezvoltarea scalabilă a centrului pentru misiunea LISA. „ISS lucrează în colaborare cu partenerii internaționali la identificarea necesarului de resurse computaționale al principalelor teme științifice ale misiunii LISA. După finalizarea acestei etape și elaborarea Technical Design Report al viitorului centru vom da în folosință viitorul centrul de calcul al misiunii LISA. Estimăm ca în 2030-2034 să avem pregătit setup-ul computațional dedicat misiunii LISA. Nu ne hazardăm să achiziționăm echipamente ultraperformante, pe care mai apoi să le subutilizăm, ci alegem să investim în oameni. Este o abordare pragmatică pe care ISS a avut-o dintotdeauna și pe care am preluat-o și eu de la predecesorul meu, dr. Dumitru Hașegan, care a fost directorul institutului din 1990 până în 2011. Fără oameni care să aibă competențele și experiența necesare, un echipament HPC ultraperformant este inutil și reprezintă o pierdere financiară. Ne concentrăm în principal pe pregătirea oamenilor, pentru că resursa umană este cea mai importantă pentru noi: la ISS, ca și la centrul CERN din Geneva, partea de computing este realizată de către fizicieni, nu de IT-iști, pentru că fizicienii sunt cei care creează, dezvoltă și adaptează continuu soluțiile software în funcție de experimentele pe care le fac. În anii următori dorim să consolidăm parteneriatul cu Facultatea de Fizică a Universității din București, și cu celelate universități din țară, care au programe de studii dedicate fizicii, ingineriei și computing science”, accentuează dr. Sorin Zgură.

„Echipa internațională care pregătește misiunea LISA este în faza de determinare a specificațiilor noului centru de operare al misiunii, analiza actuală privind atât puterea de calcul necesară procesării datelor de la cei trei sateliți, cât și dimensionarea centrului de high-performance computing care va simula in silico fenomenele fizice de interes pentru misiune (de exemplu, fuziunea de găuri negre, evoluția traiectoriilor în câmp gravitațional extrem, forme de undă, etc). Desigur, o temă extrem de importantă privește stocarea pe termen mediu și lung a datelor provenite de la sateliții misiunii LISA, precum și a datelor provenite din simulările numerice conexe, obiectivul echipei ISS fiind acela de a avea interoperabilitate totală cu partenerii noștri internaționali”, completează dr. Alexandru Nicolin, cercetător senior în cadrul ISS și conferențiar la Facultatea de Fizică a Universității din București.