Наверх в Библиотеку


Домашние компьютеры открыли Гамма-пульсары

Обрабатывая данные с орбитальной гамма-обсерватории «Ферми», запущенной NASA, компьютеры участников проекта Einstein@Home обнаружили четыре космических маяка.

26 ноября 2013 года

Комбинация вычислительной мощи, распределённой по всей планете и инновационных методов обработки данных, стала успешным рецептом для поиска ранее неизвестных пульсаров. Учёные из Института Гравитационной Физики и Радиоастрономии имени Макса Планка совместно с коллегами из других стран, при обработке данных орбитального телескопа «Ферми», обнаружили четыре гамма-пульсара. Прорыв в исследованиях произошёл благодаря вычислительной мощи проекта распределённых вычислений Einstein@Home объединившего около 200000 компьютеров 40000 участников по всему миру, в один глобальный суперкомпьютер. В частности, открытия этих четырёх гамма-пульсаров были сделаны участниками из Австралии, Канады, Франции, Германии, Японии и США.

Рисунок 1. Все четыре гамма-пульсара, обнаруженные Einstein@Home, лежат в плоскости Млечного Пути - как это показано на карте неба, созданной по данным Широкоугольного телескопа, установленного на «Ферми» (Large Area Telescope – LAT). Плоскость Млечного Пути видна как область с особо интенсивным гамма излучением (более яркие цвета соответствуют его большей интенсивности). На вставках показаны четыре точечных источника - обнаруженные гамма-пульсары. А флаги показывают национальность участников, чьи компьютеры сделали открытие.
© Книпсел / Плетч / Институт Альберта Эйнштейна / Национальное аэрокосмическое агентство / Департамент энергетики / Сотрудничество Широкоугольного телескопа «Ферми»
© Knispel/Pletsch/AEI/NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration

С момента запуска в 2008, обсерватория «Ферми» выполняет обзор всего неба в гамма-лучах. Уже обнаружены тысячи ранее неизвестных источников гамма-излучения, среди которых, возможно, сотни ещё не открытых пульсаров — быстровращающихся компактных остатков взорвавшихся звёзд. Но выявление этих гамма-пульсаров является очень объёмной вычислительной задачей — ведь для этого необходимо с мелким шагом перебрать значения параметров, изменяющихся в широком диапазоне.

«Инновационность нашего решения для вычислительно-тяжёлого поиска гамма пульсаров заключается в соединении особо эффективных методов с распределённой мощностью Einstein@Home» - говорит Хольгер Плетч (Holger Pletsch) - глава группы независимых исследователей Института гравитационной физики имени Макса Планка (он жк - Институт Альберта Эйнштейна) и ведущий учёный исследования. «Добровольцы со всего мира позволяют нам бросить вызов огромной вычислительной задачи, связанной с обработкой данных «Ферми». И таким образом, они оказывают неоценимую услугу астрономии» - продолжает он.

Распределённые вычисления для Астрономии

Einstein@Home — это совместный проект Центра Гравитации и Космологии Университета Висконсина-Милуоки и Института Альберта Эйнштейна (AEI) из Ганновера, финансируемый Национальным научным фондом США и Обществом Макса Планка. Начиная с середины 2011 года в этом проекте производится и обработка данных полученных с «Ферми» - с целью поиска сигналов от гамма-пульсаров. Сам Einstein@Home был запущен в 2005 году для поиска в данных с детекторов LIGO сигналов, свидетельствующих о прохождении через них гравитационных волн (это основная задача проекта), а с начала 2009 года в проекте начался весьма успешный поиск радиопульсаров.

«Открытие первых гамма-пульсаров в Einstein@Home - важная веха не только для нас, но и для всех участников проекта. Оно показывает, что любой человек, у которого есть компьютер, может помочь передовой науке делать открытия» - говорит Брюс Аллен - соавтор проекта, директор Института Альберта Эйнштейна и главный исследователь Einstein@Home. «Я надеюсь, что наш энтузиазм вдохновит ещё больше людей для последующих открытий».

Рисунок 2. Гамма-пульсар - это компактная нейтронная звезда, которая ускоряет заряженные частицы до релятивистских скоростей в своём экстремально сильном магнитном поле. В данном примере этот процесс приводит к возникновению гамма-излучения (фиолетовый) в далеке от поверхности компактного остатка от звезды, в то время как радиоволны (зелёный) излучаются над магнитными полюсами в виде конуса. Вращение нейтронной звезды перемещает излучающие регионы через воображаемую линию, соединяющую её с Землёй, делая пульсар объектом, вспыхивающим на нашем небе.
© Национальное аэрокосмическое агентсво / «Ферми» / Круз де Уайльд.
© NASA/Fermi/Cruz de Wilde

Пульсары для всех

Участники, внёсшие свой вклад в открытие - в восторге. «Сначала я был немного ошеломлён и подумал, что это розыгрыш. Но изучив всё ещё раз — поверил. Удивительно, что сделав столь немногое я смог что-то изменить» - говорит Томас Джексон из Кентукки (США), запустивший Einstein@Home на своём четырёхядерном процессоре.

Ганс-Петер Тоблер из Реллингена (Германия) участвует в проекте с 2005 года и оказался одним из тех кто открыл гамма-пульсар: «Я очарован Астрономией, а Einstein@Home позволяет мне вносить вклад в эту область науки не будучи профессиональным астрономом». Объединившись в этом проекте с сотнями тысяч других компьютеров, он не ожидал что именно его компьютер что-то откроет.

В научной публикации высказывается благодарность всем участникам Einstein@Home и, конечно же, астрономы особенно отметили восемь добровольцев, чьи компьютеры и сделали открытие. Это участники из Австралии, Канады, Франции, Японии и США. В знак признательности они получат особые сертификаты о сделанном открытии.

Рисунок 3. Своим домашним компьютером, Ганс-Петер Тоблер из Реллингена (Германия) открыл один из четырёх пульсаров. Участвуя в проекте вместе командой с другими сотями тысяч компьютеров, он никогда не ожидал, что именно его компьютер что-нибудь откроет.
© Ганс-Петер Тоблер
© Hans-Peter Tobler

Новое окно для открытия нейтронных звёзд

В рамках проекта распределённых вычислений были открыты не просто четыре новых гамма-пульсара, а четыре особенно интересных пульсара. «Восхитительно, что все четыре пульсара находятся в плоскости галактического диска Млечного Пути» - говорит соавтор Михаэль Крамер - директор Радиоастрономического института имени Макса Планка. Ранее проводились тщательные исследования этой части неба при помощи радиотелескопов, но эти четыре пульсара остались ненайденными - была обнаружена только одна нейтронная звезда, которую удалось сопоставить (одному из гамма источников - прим. перев).

По видимому, найденные пульсары видны только в гамма-лучах. Гамма- и радиоизлучение генерируется различными участками нейтронной звезды и, в зависимости от ориентации пульсара узкий пучок радиоизлучения может проходить мимо Земли, в то время как более широкий пучок гамма-квантов может быть обнаружен. Последовавшие выделенные наблюдения на 100-метровом радиотелескопе в Эффельсберге и Австралийской обсерватории Паркс подтвердили отсутствие какого-либо заметного радиоизлучения.

«Успехом поисков гамма-пульсаров «в слепую» мы открыли новое окно для поиска нейтронных звёзд» - говорит Крамер. На новую методику поиска их вдохновили методы, используемые в анализе данных с детекторов гравитационных волн. И с их помощью, астрономы из группа Плетча обнаружили все одиннадцать гамма-пульсаров найденных за последние три года в данных «Ферми» различными «слепыми поисками».

Икота молодых нейтронных звёзд

Два из только что открытых пульсаров демонстрируют внезапные изменения в своём совершенно равномерном вращении - так называемые глитчи. Во время глитча вращение нейтронной звезды внезапно ускоряется, после чего постепенно замедляется несколько следующих недель. «Мы не знаем точную причину глитчей, но их исследование может привести нас к новому взгляду на понимание внутренностей нейтронных звёзд» - говорит Лукас Гуиллемот, работавший одним из исследователей в Институте Радиоастрономии имени Макса Планка во время этих открытий (сейчас он перешёл в лабораторию Физики и Химии окружающей среды из Орлеана) и один из авторов работы.

Как правило, глитчи происходят в только очень молодых пульсарах, и измерения проведённые астрономами показали, что возраст каждого из четырёх обнаруженных пульсаров находится в диапазоне от 30000 до 60000 лет — по сравнению с обычными пульсарами - это юная молодёжь.

Рисунок 4. Нейтронная звезда - наиболее плотный объект из тех, что астрономы могут наблюдать непосредственно. Это миллионы масс Земли сжатые в сферу поперечником около 20 километров. На этой иллюстрации вы может видеть сравнительный размер нейтронной звезды и поверхности Земли вокруг Ганновера - домашнего города для Института Альберта Эйнштейна.
© Центр космических полётов имени Годдарда Национального Аэрокосмического Агентства
© NASA's Goddard Space Flight Center

Потенциал для открытий

В будущем, методы эффективного поиска могут стать ещё более важными, поскольку данные с «Ферми» планируется получать по крайней мере ещё пять лет, а большее время измерений позволит найти более слабые пульсары. Однако, с увеличением времени измерений возрастают и объёмы вычислений. Традиционные методы уже слишком дороги и в настоящее время, а для новых методов ещё есть запас.

«Только наши методы позволят в будущем выполнять эффективный «слепой» поиск в данных «Ферми», а используя распределённую мощь, предоставленную участниками проекта Einstein@Home, мы надеемся обнаружить особенно далёкие или слабые пульсары» - говорит Плетч.


Дополнительная информация

Нейтронные звёзды

Нейтронные звёзды - весьма необычные объекты, материя которых упакована значительно сильнее, чем обычно - плотность такой звезды сопоставима с плотностью атомного ядра. Диаметр нашего Солнца при такой плотности, не превышал бы 30 км.

У нейтронных звёзд и очень сильное магнитное поле. Заряженные частицы, ускоряющиеся при движении вдоль его силовых линий, генерируют электромагнитное излучение различных длин волн. Это излучение собирается в конусе, охватывающем ось магнитного поля, а при вращении нейтронной звезды этот конус бежит по небу как луч маяка - поскольку ось магнитного поля как правило, наклонена относительно оси вращения. И тогда нейтронная звезда становится видимой как пульсар. Пульсары вращаются, затрачивая на один оборот время от нескольких секунд до нескольких миллисекунд, с точностью, делающей их самыми аккуратными часами в мире.

Эти космические маяки были открыты в 1967 году Джоселин Белл Бернелл и как радиопульсары. На сегодняшний день мы знаем и о существовании рентгеновских и гамма-пульсаров. Несмотря на то, что не все пульсары мы можем видеть во всех длинах волн, ученые предполагают что на самом деле они излучают во всех диапазонах электромагнитного спектра. Однако механизмы, управляющие излучением на различных частотах - ещё не полностью понятны.

Гамма-пульсары и радиопульсары

Одно из возможных объяснений механизма образования излучения состоит в том, что низкоэнергетичные радиоволны собираются магнитным полем в более узком конусе, чем гамма-лучи высоких энергий. Поскольку большая часть излучения испускается в конусах различной ширины, радиоволны и гамма-лучи могут покидать нейтронную звезду в различающихся направлениях. Таким образом, для удалённого наблюдателя, в зависимости от того, какой конус проходит по его расположению, пульсар может быть виден как гамма- или радиопульсар. Согласно другой модели, гамма-излучение исходит скорее не из полярных регионов, а с экватора, где силовые линии магнитного поля могут прерываться. И для того, чтобы лучше понять эти механизмы формирования излучения пульсаров, сами пульсары необходимо наблюдать в как можно более широком спектре электромагнитных волн.

Обработка данных

При обработке данных с детекторов гравитационных волн, учёные полагаются на эффективные алгоритмы и вычислительные мощности. Это неизбежно, поскольку при текущей точности измерений, возможные сигналы, оставленные гравитационными волнами, будут ненамного сильнее фонового шума.

Обработка данных происходит в несколько шагов. В первую очень астрофизики ищут сигналы, просматривая крупные площадки небесной сферы. Если на какой-либо из них проявляется искомый сигнал, то его окрестности исследуются алгоритмом с более мелкой сеткой и требующим большего объёма вычислений. Если сигнал подтверждается, то начинается анализ его временных характеристик и определение того, может ли ему быть сопоставлен некий период - как пульсару. Учёные из Ганновера успешно модифицировали алгоритм применявшийся для поиска постоянных источников гравитационных волн, и использовали результат для поиска гамма-пульсаров в данных «Ферми».

Einstein@Home

Этот проект добровольных распределённых вычислений объединяет участников со всего мира, добровольно предоставляющих свободное машинное время своих компьютеров. К настоящему времени в проекте приняли участие более 35000 тысяч человек и он является одним из крупнейших проектов такого рода. Научную поддержку проекта осуществляют Центр гравитации и космологии Университета Висконсина-Милуоки и Институт гравитационной физики Макса Планка (Институт Альберта Эйнштейна) в Ганновере. Финансовую поддержку проекта осуществляет Национальный научный фонд и Сообщество Макса Планка. С 2005 года, в рамках научного сотрудничества LIGO и Virgo Einstein@Home обрабатывает данные с гравитационных детекторов в поисках гравитационных волн, исходящих от ещё неизвестных нейтронных звёзд, вращающихся с высокой частотой.

С марта 2009 Einstein@Home принимает участие и в поиске радиопульсаров, обрабатывая данные из обсерваторий Аресибо в Пуэрто-Рико и Паркс в Австралии. С момента первого открытия радиопульсара, произошедшего в рамках проекта в августе 2010, глобальная компьютерная сеть сделала ещё более 50 открытий.

Новый поиск - поиск гамма-пульсаров по данным, получаемым с орбитальной обсерватории «Ферми» был запущен в августе 2011. О чётырёх пульсарах открытых в рамках этого поиска, мы и рассказывали в этой статье. Большой интерес представляет и поиск первых миллисекундных пульсаров, видимых только в гамма-диапазоне.


Наверх в Библиотеку | Оригинал: Home Computers Discover Gamma-ray Pulsars