Einstein@Home
Einstein@Home | |
---|---|
Платформа | BOINC |
Объём загружаемого ПО | 43—147 МБ |
Объём загружаемых данных задания | 6—100 МБ |
Объём отправляемых данных задания | 15 КБ |
Объём места на диске | 120 МБ |
Используемый объём памяти | 80—184 МБ |
Графический интерфейс | да |
Среднее время расчёта задания | 4—13 часов |
Deadline | 14 дней |
Возможность использования GPU | nVidia, AMD/ATI (BRPx) |
Einstein@Home — проект добровольных вычислений на платформе BOINC по проверке гипотезы Эйнштейна о существовании гравитационных волн, которые были обнаружены 100 лет спустя (в сентябре 2015 года). В ходе выполнения проекта первоначальная цель была расширена: в настоящее время проект занимается также поиском пульсаров по данным радио- и гамма-телескопов. Проект стартовал в рамках Всемирного года физики 2005 и координируется Университет Висконсина-Милуоки[англ.] (Милуоки, США) и Институтом гравитационной физики Общества Макса Планка (Ганновер, Германия), руководитель — Брюс Аллен[англ.]. С целью проверки гипотезы проводится составление атласа гравитационных волн, излучаемых быстро вращающимися неосесимметричными нейтронными звездами (пульсарами), качающимися (англ. wobbling star), аккрецирующими (англ. accreting star) и пульсирующими звездами (англ. oscillating star)[1]. Данные для анализа поступают с Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) и GEO600. Кроме проверки общей теории относительности Эйнштейна и получения ответов на вопросы «Распространяются ли гравитационные волны со скоростью света?» и «Чем они отличаются от электромагнитных волн?»[2], прямое обнаружение гравитационных волн будет также представлять собой важный новый астрономический инструмент (большинство нейтронных звезд не излучают в электромагнитном диапазоне и гравитационные детекторы способны привести к открытию целой серии ранее неизвестных нейтронных звезд[3]). Наличие же экспериментальных доказательств отсутствия гравитационных волн известной амплитуды от известных источников поставит под сомнение саму общую теорию относительности и понимание сущности гравитации.
С марта 2009 года часть вычислительной мощности проекта используется для анализа данных, полученных консорциумом PALFA с радиотелескопа Обсерватории Аресибо (Пуэрто-Рико), на предмет поиска радиопульсаров в двойных звездных системах[4][5]. В ходе анализа были обнаружены 2 новых ранее неизвестных радиопульсара — PSR J2007+2722 (2010) и PSR J1952+2630 (2011). Анализ данных радиотелескопа Обсерватория Паркс (Австралия) позволил открыть в 2011—2012 годах 23 ранее неизвестных радиопульсара[6]. При обработке новой порции данных, полученных Обсерваторией Аресибо в 2011—2012 гг. с использованием широкополосного спектрометра «Mock», в 2011—2015 годах открыты 28 новых радиопульсаров[7]. Общее количество открытых радиопульсаров — 54. В 2013—2016 гг. в ходе анализа данных с гамма-телескопа GLAST были открыты 18 гамма-пульсаров[8][9]. Добровольцы, чьи компьютеры участвовали в открытии пульсаров, получают от организаторов проекта памятный сертификат[10].
Вычисления в рамках проекта стартовали на платформе BOINC в ноябре 2004 года[11]. По состоянию на 15 декабря 2013 года в нём приняли участие 355 367 пользователей (2 471 906 компьютеров) из 222 стран, обеспечивая интегральную производительность порядка 1 петафлопс[12]. Участвовать в проекте может любой человек, обладающий подключённым к Интернет компьютером. Для этого необходимо установить на него программу BOINC Manager и подключиться к проекту Einstein@home.
Стратегия поиска[13][14]
Основной задачей расчетов является выделение полезного сигнала (интерференционной картины) из шума, который является следствием тепловых колебаний атомов в зеркалах, квантовой природы света, сейсмических движений земной коры или резонансных колебаний нитей, на которых подвешена оптика. Процесс обнаружения осложняется также влиянием вращения Земли вокруг Солнца и вокруг своей оси, в совокупности вызывающими сдвиг частоты сигнала из-за эффекта Доплера. При обработке данных выполняется согласованная фильтрация сигнала, требующая сопоставления зашумленного образца с эталонным, и производится сравнение десятичасовых отрезков наблюдений («сегментов») на интерферометре с теоретически предсказанной картиной, которую должны создавать гравитационные волны, идущие от вращающихся нейтронных звёзд, предположительно располагающихся на определенных участках небесной сферы. Подобные гравитационные волны являются непрерывными (англ. continuous-wave, CW), имеют постоянную амплитуду и являются квази-монохроматическими (имеют незначительное уменьшение частоты с течением времени). В ходе расчетов используется достаточно густая сетка (30 000 узлов), охватывающая все небо (предполагается, что пульсар может находиться в любой точке небесной сферы в узлах сетки), а также перебираются различные частоты и скорости их изменения (фактически производные от частоты).
При помощи оконного преобразования Фурье (англ. Short Fourier Transform, SFT) получасовые фрагменты данных с гравитационного телескопа разбиваются на набор из 2901 SFT-файла (каждый файл, обрабатываемый на машине пользователя, перекрывает частоту спектра в 0,8 Гц: 0,5 Гц полезных данных плюс боковые лепестки), что в совокупности покрывает диапазон частот от 50 до 1500,5 Гц. Помехи, создаваемые самим инструментом, по возможности удаляются (заменяются гауссовым белым шумом) по априорно известным линиям в спектре, специфичном для каждого из детекторов. В результате анализа на сервер проекта передается информация о возможных претендентах, выявленных в ходе вычислений с использованием критерия Фишера (шумы инструмента подчиняются нормальному распределению Гаусса, вычисленный критерий Фишера обладает распределением [math]\displaystyle{ \chi^2 }[/math] с четырьмя степенями свободы, а его параметр Нецентрированное распределение хи-квадрат[англ.] пропорционален квадрату амплитуды гравитационной волны). Выбранные претенденты отвечают неравенству [math]\displaystyle{ 2F \gt 25 }[/math] (при использовании преобразования Хафа требования к кандидатам могут быть ослаблены до [math]\displaystyle{ 2F \gt 5{,}2 }[/math][15]). Описанная процедура выполняется для двух различных десятичасовых блоков данных, после чего производится сравнение результатов и отсев части из них, отличающихся более чем на 1 мГц по частоте и на 0,02 рад по позиции на небесной сфере. Затем результаты отправляются на сервер проекта для постобработки, которая заключается в проверке того, что для большинства наборов данных должны быть получены совпадающие результаты (при этом в некоторых случаях возможно обнаружение ложных кандидатов в пульсары из-за наличия шумов). Постобработка результатов выполняется на вычислительном кластере Atlas[16], расположенном в Институте имени Альберта Эйнштейна в Ганновере и содержащем 6720 процессорных ядер Xeon QC 32xx 2,4 ГГц (пиковая производительность — 52 терафлопс, реальная — 32,8 терафлопс)[15].
Подобным образом могут быть проанализированы не только данные гравитационных детекторов, но и наблюдения в радио-, рентгеновском и гамма-диапазоне с обнаружением пульсаров соответствующих типов[17].
Проект Albert@Home
17 августа 2011 года запущен проект Albert@Home[18], целью которого является тестирование новых версий расчетных приложений для проекта Einstein@home. 23 декабря 2011 года в проекте появились первые расчетные задания.
Анализ данных гравитационных детекторов
Эксперимент S3 (завершен)
Первые расчеты, произведенные с 22 февраля 2005 года по 2 августа 2005 года, были выполнены в рамках проекта в ходе анализа данных «третьего научного запуска» (S3) гравитационного телескопа LIGO[14]. Были обработаны 60 записанных сегментов данных 4-километрового детектора LIGO в Хэнфорде длительностью 10 часов каждый. Каждый 10-часовой сегмент был проанализирован с использованием компьютеров добровольцев на предмет наличия сигналов гравитационных волн с использованием алгоритмов согласованной фильтрации. Затем результаты различных сегментов были объединены в ходе постобработки на серверах проекта с целью повышения чувствительности поиска и опубликованы[19].
Эксперимент S4 (завершен)
Обработка данных набора S4 («четвертый научный запуск» LIGO) была начата 28 июня 2005 года (во время обработки данных предыдущего набора S3) и завершена в июле 2006 года. В ходе данного эксперимента были использованы 10 30-часовых сегментов данных с 4-километрового детектора LIGO в Хэнфорде и 7 30-часовых сегментов с 4-километрового детектора LIGO в Ливингстоне (штат Луизиана). Кроме того, что собранные с детекторов данные были более точными, была использована более точная схема объединения результатов расчетов в ходе постобработки. Результаты были опубликованы в журнале Physical Review[20].
С целью проверки алгоритмов обработки в экспериментальные данные возможно добавление аппаратных (англ. Hardware-Injected Signals) и программных (англ. Software Injections) возмущений, имитирующих присутствие в сигнале гравитационных волн. Для аппаратного источника при этом осуществляется физический сдвиг зеркал детектора, имитирующий прохождение гравитационной волны; программы основаны на программном изменении записанных данных. После съёма основных данных эксперимента S4 в сигнал были аппаратно добавлены возмущения от 10 гипотетических изолированных пульсаров. Из них в ходе обработки удалось обнаружить лишь 4 (сигналы от 4 оказались слишком слабыми на фоне шума, 2 других были идентифицированы неверно).
Проект привлек к себе повышенное внимание среди участников добровольных распределенных вычисления в марте 2006 года в связи с выходом оптимизированной версии расчетного модуля для анализа набора данных S4, разработанной участником проекта — венгерским программистом Акосом Фекете (англ. Akos Fekete)[21]. Фекете улучшил официальную версию приложения с использованием векторных расширений SSE, 3DNow! и SSE3 системы команд процессора, что привело к увеличению производительности проекта до 800 %[22]. Позже он был приглашен для участия в разработке нового приложения S5[23]. В июле 2006 года новое оптимизированное приложение стало широко распространено среди участников проекта, что приблизительно в 2 раза увеличило интегральную производительность проекта по сравнению с S4[24].
Эксперименты S5Rn (завершен)
Анализ ранней порции данных «пятого научного запуска» (S5R1) с гравитационного телескопа LIGO, в ходе которого впервые была достигнута проектная чувствительность интерферометра, был начат 15 июня 2006 года. В ходе данного эксперимента по схожей с предыдущем экспериментом методике были проанализированы 22 сегмента по 30 часов каждый с 4-километрового детектора LIGO в Хэнфорде и 6 30-часовых сегментов 4-километрового детектора LIGO в Ливингстоне. Полученные результаты, также опубликованные в Physical Review, являются более точными (приблизительно в 3 раза) благодаря использованию большего объёма экспериментальных данных по сравнению с S4 (наиболее точные на момент публикации среди известных)[25].
Вторая порция данных эксперимента S5[когда?] (S5R3) также несколько повышает чувствительность[26]. Обработка данных эксперимента была завершена 25 сентября 2008 года. В отличие от предыдущих экспериментов, в данном используются результаты согласованной фильтрации 84 сегментов данных по 25 часов каждый с обоих гравитационных телескопов LIGO в Хэнфорде и Ливингстоне, объединяемые непосредственно на компьютерах участников с использованием преобразования Хафа.
С 13 января 2009 года по 30 октября 2009 года была произведена обработка данных эксперимента S5R5 (частотный диапазон до 1000 Гц). Статистически значимых сигналов гравитационных волн не обнаружено, приблизительно в 3 раза усилено ограничение на максимальную амплитуду гравитационной волны, которую способны засечь детекторы (на частоте 152,5 Гц оно составляет 7,6⋅10−25 м), максимальная дальность обнаружения излучающих гравитационные волны нейтронных звезд оценивается в 4 килопарсек (13000 световых лет) для звезды с эллиптичностью [math]\displaystyle{ \varepsilon=10^{-4} }[/math][15].
В октябре 2009 года стартовало продолжение эксперимента (S5R6), в котором частотный диапазон был расширен до 1250 Гц.
Эксперименты S5GC1 и S5GC1HF (завершены)
7 мая 2010 года с использованием усовершенствованной методики (поиск глобальных корреляций в пространстве параметров с целью более эффективного комбинирования результатов различных сегментов) был запущен новый этап поиска (S5GC1), в ходе которого должны быть проанализированы 205 сегментов данных по 25 часов каждый с обоих гравитационных телескопов LIGO в Хэнфорде и Ливингстоне[3][17]. 26 ноября 2010 года было объявлено о расширении анализируемого частотного диапазона от 1200 до 1500 Гц (S5GC1HF)[27].
Эксперименты S6Bucket, S6LV1, S6BucketLVE и S6CasA (завершены), S6BucketFU1UB (активен)
В мае 2011 года стартовал анализ новой порции данных (S6Bucket). 5 марта 2012 года было объявлено о реализации нового расчетного модуля и запуске соответствующего эксперимента (S6LV1, «LineVeto»)[28]. 14 января 2013 года запущен эксперимент S6BucketLVE. 17 июля 2013 года запущен эксперимент S6CasA[29], целью которого является «направленный» поиск гравитационных волн от направления, соответствующего сверхновой Кассиопея A.
Анализ данных радио- и гамма-телескопов
Эксперименты ABPx (завершены)
24 марта 2009 года было объявлено о том, что в рамках проекта начинается анализ данных консорциума PALFA из Обсерватории Аресибо в Пуэрто-Рико (ABPS, ABP1, ABP2). Обрабатываемые данные получены с использованием спектрометра WAPP (ширина принимаемого диапазона — 100 МГц, 256 каналов).
В ходе анализа данных, собранных в 2005—2007 гг., было открыто два ранее неизвестных радиопульсара.
Эксперимент BRP3 (завершен)
26 ноября 2009 года было анонсировано приложение (BRP3) с поддержкой технологии CUDA для поиска двойных радиопульсаров в ходе обработки новой порции данных, полученных с радиотелескопа Обсерватория Паркс (англ. Parkes Multibeam Pulsar Survey, PMPS[30]). Во время расчетов оно использует и CPU (выполнение основной части расчетов), и NVIDIA GPU (преобразование Фурье), что примерно в 20 раз уменьшает общее время расчета[31]. В ходе анализа были открыты 23 новых радипульсара[6] и переоткрыты более 100 известных, включая 8 миллисекундных пульсаров[32].
Эксперименты FGRP1 (завершен), FGRP2, FGRP3 и FGRP4 (активны)
1 июня 2011 года было объявлено о запуске нового расчетного модуля (FGRP1) для анализа данных с телескопа GLAST, работающего в гамма-диапазоне[33]. В конце 2012 года появились первые расчетные задания для эксперимента FGRP2, в ходе анализа которых в 2013 году открыты 4 гамма-пульсара[8]. В январе 2014 года в рамках эксперимента FGRP3 реализован расчетный модуль для поиска гамма-пульсаров с использованием GPU. В 2015 году открыт 1 гамма-пульсар[34].
Эксперименты BRP4 (завершен), BRP4G, BRP5 и BRP6 (PMPS XT) (активны)
21 июля 2011 года стартовал новый эксперимент (BRP4) для обработки свежей порции данных обсерватории Аресибо. Данные получены с использованием нового широкополосного спектрометра Jeff Mock (ширина принимаемого диапазона — 300 МГц, 1024 канала), названного по имени его создателя[35]. При обработке заданий возможно использование технологии CUDA и OpenCL. В настоящее время в ходе обработки данных эксперимента открыты 24 и переоткрыты несколько десятков уже известных радиопульсаров[7]. В 2013 году стартовал эксперимент BRP5, целью которого является подробное исследование рукава Персея на предмет поиска радиопульсаров. В феврале 2015 года стартовал эксперимент BRP6 (PMPS XT), целью которого является расширение области поиска радиопульсаров в сторону больших частот вращения.
Научные достижения
2010 год
- 12 августа открыт одиночный радиопульсар PSR J2007+2722.
2011 год
Открыты 15 радиопульсаров (PSR J1952+2630 в двойной звёздной системе, PSR J1322-6321, PSR J1817-1937, PSR J1840-0644, PSR J1455-5922, PSR J1644-4409, PSR J1755-3331, PSR J1619-4202, PSR J1811-1047, PSR J1838-1848, PSR J1821-0325, PSR J1950+24, PSR J1952+25, PSR J1910+10, PSR J1907+05).
2012 год
Открыты 30 радиопульсаров (PSR J1913+10, PSR J1914+14, PSR J1922+11, PSR J2005+26, PSR J2005+26, PSR J1907+09, PSR J1913+11, PSR J1858+0319, PSR J1227-6210, PSR J1601-5023, PSR J1726-3156, PSR J1855+03, PSR J1857+0259, PSR J1901+0510, PSR J1851+02, PSR J1900+0439, PSR J1953+24, PSR J1305-66, PSR J1637-46, PSR J1652-48, PSR J1838-01, PSR J0811-38, PSR J1750-25, PSR J1858-07, PSR J1748-30, PSR J1626-44, PSR J1644-46, PSR J1908+0831, PSR J1903+06, PSR J1912+09).
2013 год
Открыт 1 радиопульсар (PSR J1859+03) и 4 гамма-пульсара (PSR J0554+3107, PSR J1422-6138, PSR J1522-5735, PSR J1932+1916).
2014 год
Открыт 1 радиопульсар (PSR J1910+07).
2015 год
Открыты 5 радиопульсаров (PSR J1948+28, PSR J1953+28, PSR J1955+29, PSR J1853+00, PSR J1853+0029) и 1 гамма-пульсар (PSR J1906+0722).
2016 год
Открыты 13 гамма-пульсаров (PSR J0002+6216, PSR J0359+5414, PSR J0631+0646, PSR J1057-5851, PSR J1105-6037, PSR J1350-6225, PSR J1528-5838, PSR J1623-5005, PSR J1624-4041, PSR J1650-4601, PSR J1827-1446, PSR J1844-0346, PSR J2017+3625)
Примечания
- ↑ Каковы же цели Einstein@Home? (недоступная ссылка). Дата обращения: 4 мая 2011. Архивировано 12 августа 2012 года.
- ↑ Lenta.ru: Прогресс: Пользователей интернета пригласили подтвердить теорию Эйнштейна . Дата обращения: 6 июля 2020. Архивировано 2 декабря 2020 года.
- ↑ 3,0 3,1 2Physics: Deepest All-Sky Surveys for Continuous Gravitational Waves . Дата обращения: 3 мая 2011. Архивировано 1 июня 2012 года.
- ↑ Архивированная копия . Дата обращения: 3 мая 2011. Архивировано 11 мая 2011 года.
- ↑ The Einstein@Home Arecibo Radio Pulsar search . Дата обращения: 3 мая 2011. Архивировано 27 июля 2011 года.
- ↑ 6,0 6,1 Einstein@Home PMPS discoveries . Дата обращения: 7 июля 2011. Архивировано 25 мая 2012 года.
- ↑ 7,0 7,1 Einstein@Home Arecibo Mock spectrometer pulsar detections . Дата обращения: 28 октября 2011. Архивировано 18 июня 2016 года.
- ↑ 8,0 8,1 Einstein@Home Volunteers Discover Four «Young» Gamma-Ray Pulsars . Дата обращения: 15 декабря 2013. Архивировано 2 декабря 2013 года.
- ↑ Discovery of 13 new gamma-ray pulsars by Einstein@Home volunteers . Дата обращения: 24 февраля 2016. Архивировано 4 марта 2016 года.
- ↑ Discovery Certificates . Дата обращения: 4 июня 2012. Архивировано 3 июня 2012 года.
- ↑ BOINCstats | Einstein@Home — Credit overview Архивировано 16 сентября 2011 года.
- ↑ Einstein@Home server status page . Дата обращения: 17 июля 2011. Архивировано 27 июля 2011 года.
- ↑ Итоги обработки данных LIGO Science Run 3 в проекте Einstein@Home (недоступная ссылка). Дата обращения: 8 января 2008. Архивировано 5 декабря 2008 года.
- ↑ 14,0 14,1 Einstein@Home S3 Analysis Summary . Дата обращения: 25 марта 2007. Архивировано 24 августа 2011 года.
- ↑ 15,0 15,1 15,2 Aasi, J. et al. (2012), Einstein@Home all-sky search for periodic gravitational waves in LIGO S5 data, arΧiv:1207.7176 [astro-ph.IM].
- ↑ TOP500 Архивировано 16 августа 2012 года.
- ↑ 17,0 17,1 Holger J. Pletsch; Bruce Allen. Exploiting Large-Scale Correlations to Detect Continuous Gravitational Waves (англ.) // Physical Review Letters : journal. — Vol. 103, no. 18. — P. 181102. — doi:10.1103/PhysRevLett.103.181102. — .
- ↑ Albert@Home . Дата обращения: 4 января 2012. Архивировано 6 января 2012 года.
- ↑ Einstein@Home S3 Analysis Summary . Дата обращения: 3 мая 2011. Архивировано 27 апреля 2011 года.
- ↑ Einstein@Home search for periodic gravitational waves in LIGO S4 data (англ.) // Physical Review D : journal. — Vol. 79, no. 2. — P. 022001. — doi:10.1103/PhysRevD.79.022001. — .
- ↑ Profile: akosf Архивировано 25 мая 2011 года.
- ↑ New Optimised Executables Links — a READ ONLY thread . Дата обращения: 3 мая 2011. Архивировано 27 июля 2011 года.
- ↑ Programmer speeds search for gravitational waves — tech — 17 May 2006 — New Scientist . Дата обращения: 29 октября 2017. Архивировано 11 мая 2015 года.
- ↑ Архивированная копия . Дата обращения: 22 августа 2006. Архивировано 20 августа 2006 года.
- ↑ Einstein@Home search for periodic gravitational waves in early S5 LIGO data (англ.) // Physical Review D : journal. — Vol. 80, no. 4. — P. 042003. — doi:10.1103/PhysRevD.80.042003. — .
- ↑ S5R3 search strategy ? . Дата обращения: 3 мая 2011. Архивировано 27 июля 2011 года.
- ↑ Upcoming searches . Дата обращения: 7 июля 2011. Архивировано 14 марта 2012 года.
- ↑ Application changes . Дата обращения: 5 марта 2012. Архивировано 10 марта 2012 года.
- ↑ Gravitational Wave S6 Directed Search (CasA) launched . Дата обращения: 15 декабря 2013. Архивировано 15 декабря 2013 года.
- ↑ Parkes Multibeam Pulsar Survey (недоступная ссылка). Дата обращения: 7 июля 2011. Архивировано 6 июня 2011 года.
- ↑ ABP1 CUDA applications . Дата обращения: 3 мая 2011. Архивировано 27 июля 2011 года.
- ↑ Einstein@Home Arecibo Binary Radio Pulsar Search Detection Page . Дата обращения: 3 мая 2011. Архивировано 22 апреля 2011 года.
- ↑ Questions, comments and problems on new Fermi LAT gamma-ray pulsar search . Дата обращения: 7 июля 2011. Архивировано 14 марта 2012 года.
- ↑ Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute) | Research News | AEI Hannover | Hidden in Plain Sight (недоступная ссылка). Дата обращения: 5 августа 2015. Архивировано 6 сентября 2015 года.
- ↑ Einstein@Home starts processing Arecibo «Mock» data . Дата обращения: 23 июля 2011. Архивировано 25 сентября 2011 года.
Ссылки
- Основной сайт проекта (англ.)
- О проекте Einstein@Home на русском (рус.)
- Итоги обработки данных LIGO S3 в проекте Einstein@Home (рус.)
- Все Российские команды (англ.)
- Allen, Bruce Einstein@Home S3 Analysis Summary (англ.). LIGO Scientific Collaboration (2005). Дата обращения: 8 августа 2009. Архивировано 24 августа 2011 года.
- Richard Harth. Einstein@Home Scours the Heavens for Gravity Waves (англ.). APS Physics (2008). Архивировано 24 августа 2011 года.
- Arecibo Palfa Survey and Einstein@Home: Binary Pulsar Discovery by Volunteer Computing (2011)
- Анимированное изображение работы детектора гравитационных волн
- Использование метода Line Veto при поиске непрерывных гравитационных волн с использованием нескольких детекторов (англ.)
- B. Allen et al. The Einstein@Home search for radio pulsars and PSR J2007+2722 discovery // arXiv:1303.0028 (англ.)
- B. Knispel et al. Einstein@Home Discovery of 24 Pulsars in the Parkes Multi-beam Pulsar Survey // arXiv:1302.0467 (англ.)
Обсуждение проекта в форумах: