Tar bilder tilsvarende alt skriftlig materiale som noensinne er laget

Da Vera C. Rubin-observatoriet i Chile i forrige uke offentliggjorde sine første bilder, var begeistringen stor blant astronomer og andre med interesse for universet.

Bildene avslører kosmiske fenomener i en hittil usett skala, og gjennom bare ti timers testobservasjoner har observatoriet allerede registrert millioner av galakser, stjerner i Melkeveien og tusenvis av asteroider.

– Med dette observatoriet vil vi samle inn mer informasjon om universet enn alle optiske observatorier har gjort til sammen gjennom historien, sa Brian Stone, fungerende direktør for USAs nasjonale forskningsråd, National Science Foundation, da bildene ble offentliggjort.

Vera C. Rubin-observatoriet er oppkalt etter den amerikanske astronomen (1928–2016) som leverte overbevisende indikasjoner på at mørk materie finnes i universet. Det er finansiert av National Science Foundation og det amerikanske energidepartementets vitenskapskontor.

Verdens største bilder

Så langt har observatoriet, som er bygget på det 2682 meter høye fjellet Cerro Pachón, fått mye oppmerksomhet for sitt digitalkamera. Med en vekt på nesten tre tonn og dimensjoner på 165 x 449 cm er det verdens største.

Kameraet er utviklet av SLAC National Accelerator Laboratory i California. Linsen har en diameter på 157 cm og leder lys til kameraets sensor – som i realiteten består av 189 separate sensorer, kjølt ned til -100 grader celsius for å minimere støy fra de elektroniske kretsene.

Hvert bilde har en oppløsning på 3200 megapiksler og fyller rundt 8 gigabyte.

– Kameraets viktigste egenskap er oppløsningen, som er så høy at det ville kreve hundrevis av ultra-HD-TV-skjermer å vise bare ett av bildene i full størrelse. Bildene er så detaljerte at de kan vise en golfball på rundt 24 kilometers avstand, samtidig som kameraet dekker et område av himmelen som er sju ganger bredere enn fullmånen, sa Aaron Roodman, professor ved SLAC, da kameraet sto ferdig i april i fjor.

Et dashbordkamera for himmelen

Men selv om ett enkelt bilde fra Rubin-observatoriet er imponerende, kommer man ikke langt med bare ett i moderne astronomi. Hver natt skal kameraet derfor skanne himmelen og ta et nytt bilde hvert 40. sekund.

Et gitt område av nattehimmelen vil bli fotografert av teleskopet hver tredje natt, og med det kan astronomene til slutt lage en time-lapse-film av himmelen som viser utviklingen over et tiår.

– Jeg ser Rubin-observatoriet som et dashbordkamera for himmelen, sier Yusra AlSayyad, forsker ved Princeton University og ansvarlig for algoritmene som behandler observatoriets bilder.

– Bredfeltsundersøkelser av himmelen har til nå bare gitt oss øyeblikksbilder. Men himmelen er ikke statisk – den er levende, sier hun i en artikkel på observatoriets nettside, der hun også peker på at verdien i det ti år lange Rubin-prosjektet Legacy Survey of Space and Time (LSST) ligger i evnen til ikke bare å se hva som skjer, men å kunne gå tilbake i tid.

– Hvis noe merkelig skjer – en eksplosjon eller et objekt som forsvinner – kan vi spole tilbake og se hva som skjedde i forkant, sier hun.

Datamengdene er ... astronomiske

Enkle beregninger viser at observatoriet i det øde fjellområdet i Chile ikke bare blir produsent av astronomiske data – men også av datamengder i astronomisk størrelsesorden.

Hver natt vil kameraet generere 20 terabyte med data. Ved slutten av prosjektet vil totalen ha kommet opp i 60 petabyte. Det antyder at observatoriet ikke forventer full produksjon hver eneste natt i ti år, men også at det trengs enorme datasentre for å håndtere disse mengdene.

Når alle bildene er behandlet, analysert og katalogisert, vil den totale datamengden til og med kunne nå 500 petabyte – noe som ifølge observatoriet tilsvarer all tekst produsert gjennom hele menneskehetens historie.

Henter inspirasjon fra CERN

For å håndtere disse datamengdene benytter Rubin-observatoriet seg av en rekke teknologier som for bare 20 år siden ikke eksisterte.

Noen av disse teknologiske fremskrittene kommer fra partikkelfysikere ved Atlas-eksperimentet på CERN, som har stått overfor lignende utfordringer med å behandle enorme datamengder og milliarder av individuelle objekter, forklarer Wei Yang, spesialist i informasjonssystemer ved SLAC og ansvarlig for Rubins datakatalog.

Med Yusra AlSayyads ord har LSST blitt mulig takket være de samme teknologiske fremskrittene som har gjort strømmetjenester mulig:

– Fremskritt innen datalagring, raskere og mer parallell databehandling, algoritmer og nettverksteknologier som gjør det mulig å overføre store datamengder over store avstander, sier hun.

På vei etter sju sekunder

Og dataene som kameraet i Chile produserer, blir faktisk flyttet. Innen sju sekunder etter at et bilde er tatt, er de 8 gigabytene på vei til datasenteret U.S. Data Facility (USDF) ved SLAC i California – mer enn 9000 km unna.

Der blir de behandlet og katalogisert. Hvert bilde sammenlignes med en referanse, og det genereres varslinger dersom noe har forandret seg. Forskerne forventer opptil 10 millioner varslinger hver natt – hver representerer en mulig kosmisk hendelse.

Innen 24 timer publiseres et katalog over registrerte hendelser, og etter 80 timer overføres kopier av dataene til servere ved IN2P3/CNRS i Lyon i Frankrike og UK Data Facility i Storbritannia.

Lag på lag på lag

Når dataene er trygt lagret og distribuert, kan den dypere analysen begynne. Her kombineres hundrevis av bilder av samme himmelområde til såkalte «dype» bilder, som deretter behandles på nytt – og gjør det mulig å fange enda finere detaljer.

– Når vi har det «dype» bildet, går vi tilbake til hver eneste underliggende eksponering, forklarer Eli Rykoff, forsker ved SLAC og ansvarlig for Rubins bildekalibrering, på observatoriets nettside.

– Da spør vi: «Hvordan var lyset akkurat her, akkurat da?» Og ved å gjenta prosessen, kan vi rekonstruere og følge utviklingen i et objekts lysstyrke over tid, sier han.

Nettlesertilgang fra hele verden

For forskere som utålmodig venter på tilgang, kan alt dette til og med gjøres på avstand – de fleste astronomene som kommer til å arbeide med Rubin-observatoriets data, vil aldri se teleskopet med egne øyne.

I stedet får de tilgang via en nettleser og portalen Rubin Science Platform, og det i et omfang som aldri før har vært mulig. Ifølge observatoriet er dette første gang at så store mengder astronomiske data er gjort tilgjengelige for så mange mennesker.

Som William O’Mullane, visedirektør for databehandling ved observatoriet, forklarer til New York Times:

– Vi produserer data for alle. Så ideen om at man reiser til teleskopet og gjør sine egne observasjoner – den finnes ikke lenger. Observasjonen er allerede gjort. Du må bare finne den.

Artikkelen ble først publisert på Ingeniøren for deres abonnenter. Den er tilgjengelig for TUs abonnenter gjennom vår samarbeidsavtale.