3 questions scientifiques spatiales auxquelles l'informatique aide à répondre

Daniel Zender

Alors que les scientifiques de l'espace collectent de plus en plus de données, les observatoires du monde entier trouvent de nouvelles façons d'appliquer le supercalcul, le cloud computing et l'apprentissage en profondeur pour donner un sens à tout cela. Voici quelques exemples de la façon dont ces technologies changent la façon dont les astronomes étudient l'espace.

Que se passe-t-il lorsque des trous noirs entrent en collision ?

En tant qu'étudiant postdoctoral aux États-Unis, astrophysicien Eli Huerta a commencé à réfléchir à la façon dont la technologie pourrait aider à faire plus de percées dans son domaine. Puis les chercheurs ont détecté des ondes gravitationnelles pour la première fois en 2015 avec LIGO (Observatoire des ondes gravitationnelles à interféromètre laser) .

Cette histoire faisait partie de notre numéro de novembre 2021

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Les scientifiques ont depuis cartographié ces observations et se sont efforcés d'apprendre tout ce qu'ils peuvent sur ces forces insaisissables. Ils ont détecté des dizaines d'autres signaux d'ondes gravitationnelles, et les progrès de l'informatique les aident à suivre le rythme.

En tant que post-doctorant, Huerta a recherché des ondes gravitationnelles en essayant fastidieusement de faire correspondre les données collectées par les détecteurs à un catalogue de formes d'onde potentielles. Il voulait trouver une meilleure façon.

Plus tôt cette année potager , qui est maintenant informaticien au Argonne National Laboratory près de Chicago, créé une IA capable de traiter un mois de données LIGO en seulement sept minutes.

Ses algorithmes, qui fonctionnent sur des processeurs spéciaux appelés GPU, combinent les avancées de l'intelligence artificielle et de l'informatique distribuée. En utilisant des ordinateurs séparés ou des réseaux qui agissent comme un système unique, Huerta peut identifier des endroits gravitationnellement denses comme les trous noirs, qui produisent des ondes lorsqu'ils fusionnent.

La collection de modèles d'IA de Huerta est open source, ce qui signifie que tout le monde peut les utiliser. Tout le monde n'a pas accès à un supercalculateur, dit-il. Cela va réduire les obstacles à l'adoption et à l'utilisation de l'IA par les chercheurs.

Comment le ciel nocturne a-t-il changé ?

Autant que l'astronomie s'est développée, le domaine a été lent à intégrer le cloud computing. L'observatoire Vera C. Rubin , actuellement en construction au Chili, deviendra la première institution astronomique de sa taille à adopter une installation de données basée sur le cloud.

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Lorsque l'observatoire démarrera en 2024, les données captées par son télescope seront disponibles dans le cadre de la Enquête héritée de l'espace et du temps (LSST), qui créera un catalogue des milliers de fois plus grand que n'importe quelle étude précédente du ciel nocturne. Les relevés antérieurs étaient presque toujours téléchargés et stockés localement, ce qui rendait difficile pour les astronomes d'accéder au travail des autres.

Nous faisons une carte du ciel complet, dit Hsin Fang Chiang , membre de l'équipe de gestion des données de Rubin. Et dans le processus, ils construisent un énorme ensemble de données qui sera utile pour de nombreux types de sciences en astronomie.

Bien que le doctorat de Chiang soit en astronomie, ses recherches initiales n'avaient rien à voir avec l'enquête. Des années plus tard, elle a eu la chance de s'impliquer grâce à l'ampleur du projet. Elle est fière que son travail puisse améliorer la façon dont les scientifiques collaborent.

Le projet de 10 ans fournira un ensemble de 500 pétaoctets de données et d'images dans le cloud, pour aider les astronomes à répondre aux questions sur la structure et l'évolution de l'univers.

Le projet de 10 ans fournira un ensemble de données et d'images de 500 pétaoctets dans le cloud.

Pour chaque position dans le ciel, nous aurons plus de 800 images là-bas, dit Chiang. Vous pourriez même voir ce qui s'est passé dans le passé. Donc, surtout pour les supernovas ou les choses qui changent beaucoup, alors c'est très intéressant.

L'observatoire Rubin traitera et stockera 20 téraoctets de données chaque nuit tout en cartographiant la Voie lactée et les lieux au-delà. Les astronomes affiliés au projet pourront accéder à ces données et les analyser de n'importe où via un navigateur web . Finalement, les images que le télescope prend chaque nuit seront converties en une base de données en ligne d'étoiles, de galaxies et d'autres corps célestes.

À quoi ressemblait l'univers primitif ?

Les progrès de l'informatique pourraient aider les astronomes à remonter l'horloge cosmique. Plus tôt cette année, les astronomes japonais ont utilisé ATERUI II , un supercalculateur spécialisé dans les simulations d'astronomie, pour reconstituer à quoi pouvait ressembler l'univers dès le Big Bang.

ATERUI II aide les chercheurs à enquêter inflation cosmique — la théorie selon laquelle l'univers primitif s'est étendu de façon exponentielle d'un instant à l'autre. Les astronomes s'accordent à dire que cette expansion aurait laissé des variations extrêmes dans la densité de matière qui auraient affecté à la fois la distribution des galaxies et la façon dont elles se sont développées.

Le projet nécessite une énorme quantité de stockage de données (environ 10 téraoctets, soit l'équivalent de 22 000 épisodes de Game of Thrones)

En comparant 4 000 simulations de l'univers primitif - toutes avec des fluctuations de densité différentes - à la réalité, les scientifiques pourraient remonter le temps et se demander pourquoi certains endroits de l'univers sont en proie à une activité cosmique tandis que d'autres sont stériles.

Masato Shirasaki, un professeur adjoint à l'Observatoire astronomique national du Japon, dit qu'il serait presque impossible de répondre à cette question sans ces simulations. Le projet nécessite une énorme quantité de stockage de données (environ 10 téraoctets, soit l'équivalent de 22 000 épisodes de Jeu des trônes ).

L'équipe de Shirasaki a développé un modèle de la façon dont l'univers aurait évolué et l'a appliqué à chacune des simulations pour voir quel résultat pourrait être le plus proche de son apparence actuelle. Cette méthode a facilité l'exploration de la physique de l'inflation cosmique.

Dans les prochaines années, les méthodes de Shirasaki pourraient aider à raccourcir le temps d'observation nécessaire pour les efforts futurs comme SPHEREx, une mission de deux ans prévue pour 2024 impliquant un vaisseau spatial qui orbitera autour de la Terre et observera près de 300 millions de galaxies à travers le ciel. Avec ces sauts dans l'informatique, notre compréhension de l'univers s'élargit petit à petit.

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