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Astronomie - "Das Hirn" von ALMA

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Alle Systeme auf grün für den höchstgelegenen Supercomputer der Welt
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Der ALMA-Korrelator verwandelt viele einzelne Antennenschüsseln in ein riesengroßes Teleskop
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Hoch oben in den abgelegenen Anden im Norden Chiles hat man einen der leistungsstärksten Supercomputer der Welt errichtet und erfolgreich getestet. Damit wurde einer der wichtigen verbliebenen Meilensteine auf dem Weg zur Fertigstellung des Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) erreicht: dem ausgeklügeltsten bodengebundenen Teleskops in der Geschichte der Astronomie. Der ALMA-Korrelator ist ein Spezialgroßrechner mit über 134 Millionen Prozessoren und ist in der Lage, bis zu 17 Billiarden Rechenoperationen pro Sekunde auszuführen. Damit erreicht er eine Geschwindigkeit, die vergleichbar mit der des aktuell schnellsten Universalgroßrechners ist.
Der Korrelator ist eine der zentralen Komponenten von ALMA, einem astronomischen Teleskopverbund, der aus 66 Antennenschüsseln besteht. Die 134 Millionen Prozessoren des Korrelators kombinieren und vergleichen kontinuierlich die schwachen Signale aus dem Kosmos, die die einzelnen Antennen der Anlage empfangen, die bis zu 16 Kilometer voneinander entfernt stehen können. So ist es möglich, die verschiedenen Antennenschüsseln wie ein einziges großes Teleskop zusammenarbeiten zu lassen. Die Daten, die jede einzelne Antenne empfängt, müssen dafür mit denen jeder anderen Antenne abgeglichen werden. Bei einer maximalen Kapazität von 64 gleichzeitig angeschlossenen Antennen [1] kann der Korrelator bis zu 17 Billiarden Rechenoperationen pro Sekunde verarbeiten [2]. Der Korrelator wurde speziell für diese Aufgabe gebaut; die Anzahl der Rechenoperationen pro Sekunde, die er erreicht, ist aber vergleichbar mit der Leistung der schnellsten Universalgroßrechner der Welt [3].
„Diese einzigartige rechentechnische Herausforderung erforderte ein innovatives Design, sowohl was die einzelnen Komponenten als auch was die gesamte Architektur des Korrelators angeht”, erläutert Wolfgang Wild, der europäische ALMA-Projektmanager bei der ESO.
Das grundlegende Design des Korrelators oblagen ebenso wie sein Bau und seine Einrichtung dem US-amerikanischen National Radio Astronomy Observatory (NRAO), dem führenden nordamerikanischen ALMA-Partner. Das Korrelator-Projekt wurde von der US-amerikanischen National Science Foundation und zusätzlichen Beiträgen von der ESO finanziert.
„Die Fertigstellung und Einrichtung des Korrelators ist ein wichtiger Bestandteil des nordamerikanischen Beitrags für das internationale ALMA-Projekt”, fasst Mark McKinnon, der nordamerikanische ALMA-Projektdirektor beim NRAO zusammen. „Die technischen Herausforderungen waren enorm, aber unser Team hat es geschafft.”
Die ESO als der europäische Partner bei ALMA hat einen wichtigen Bestandteil zu dem Korrelator beigesteuert: Ein in Europa komplett neu entwickeltes, vielseitiges digitales Filtersystem wurde in das ursprüngliche NRAO-Design eingebaut. Dazu entwickelte die französische Université de Bordeaux einen Satz von 550 hochmodernen Digitalfilterplatinen für die ESO [4]. Mit diesen Filtern kann die Strahlung, die ALMA beobachtet, in 32 mal so viele Wellenlängenbereiche aufgeteilt werden wie zu Beginn vorgesehen. Jeder dieser Bereiche kann dabei präzise eingestellt werden. „Die Flexibilität, die wir dadurch gewonnen haben, ist fantastisch. Wir können den Spektralbereich, in dem ALMA beobachtet, nun in kleine Stücke zerteilen und uns dann auf diejenigen Wellenlängen konzentrieren, die für ein bestimmtes Beobachtungsobjekt benötigt werden. Das können die Signale von Gasmolekülen sein, mit deren Hilfe man eine Sternentstehungsregion kartiert, oder auch einige der am weitesten entfernten Galaxien im Universum ”, erklärt Alain Baudry von der Université de Bordeaux, der Leiter des europäischen ALMA-Korrelator-Teams.
Eine ganz besondere Herausforderung für den Korrelator ist sein außergewöhnlicher Standort: im technischen Betriebsgebäude der ALMA Array Operations Site (AOS) – dem höchstgelegenen High-tech-Gebäude der Welt. Auf 5000 Metern über dem Meeresspiegel ist die Luft so dünn, dass der doppelte Luftstrom benötigt wird, um die Anlage zu kühlen. Dafür werden etwa 140 Kilowatt Leistung benötigt. Bei derart niedrigem Luftdruck können außerdem keine herkömmlichen Festplatten verwendet werden, da deren Schreib- und Leseköpfe ein Luftpolster benötigen, das verhindert, dass sie die Drehscheiben zerkratzen. Hinzu kommt, dass der ALMA-Standort häufig von seismischer Aktivität betroffen ist, so dass der Korrelator so konstruiert werden musste, dass er die Vibrationen aushält, die mit Erdbeben einhergehen.
ALMA hat im Jahr 2011 seine ersten wissenschaftlichen Beobachtungen mit einem Teil der Antennen aufgenommen. Ein Teil des Korrelators kam dabei bereits zum Einsatz, aber erst jetzt ist das System vollständig. Damit ist der Korrelator bereit, um ALMA mit einer größeren Anzahl von Antennen arbeiten zu lassen, wodurch sich die Empfindlichkeit und die Qualität der Beobachtungen weiter verbessern werden.
ALMA nähert sich der Fertigstellung und wird im März 2013 eingeweiht werden.
Endnoten
[1] Der ALMA-Korrelator ist eines von zwei derartigen Systemen im ALMA-Komplex. Die insgesamt 66 Antennenschüsseln von ALMA sind entweder Teil des Hauptfelds von 50 Antennen, von denen jeweils die Hälfte von der ESO und vom NRAO bereitgestellt wurden, oder des Atacama Compact Array (ACA), eines zusätzlichen Antennenfelds von 16 weiteren Antennen, das vom National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) zur Verfügung gestellt wird. Ein zweiter Korrelator, der von der Firma Fujitsu gebaut und vom NAOJ bereitgestellt wurde, sorgt für die unabhängige Korrelation der 16 ACA-Antennenschüsseln, wann immer einzelne ACA-Antennen nicht mit den 50 weiter verteilten Hauptanordnungsantennen kombiniert werden.
[2] 17 Billiarden = 17 000 000 000 000 000.
[3] Der derzeitige Rekordhalter in der TOP500-Liste von Universalgroßrechnern ist der Titan, gebaut von Cray Inc., der auf 17,59 Billiarden Gleitkommaoperationen pro Sekunde kommt. Da der ALMA-Korrelator ein spezialisierter Großrechner ist, wird er freilich in dieser Rangliste nicht berücksichtigt.
[4] Diese Arbeiten basieren auf einem neuen Konzept für den Korrelator, das von der Université de Bordeaux innerhalb eines Konsortiums ausgearbeitet wurde, an dem auch ASTRON in den Niederlanden und das italienische Osservatorio Astrofisico di Arcetri beteiligt ist.
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Der ALMA-Korrelator in Betrieb
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Hoch oben in den abgelegenen Anden im Norden Chiles wurde mit dem ALMA-Korrelator einer der leistungsstärksten Supercomputer der Welt errichtet und erfolgreich getestet. Die ESO hat einen wichtigen Bestandteil zu dem Korrelator beigesteuert: einen Satz von 550 hochmodernen Digitalfilterplatinen, die von der französischen Université de Bordeaux für die ESO entwickelt wurden. Mit diesen Filtern kann die Strahlung, die ALMA beobachtet, in 32 mal so viele Wellenlängenbereiche aufgeteilt werden wie zu Beginn vorgesehen. Jeder dieser Bereiche kann dabei präzise eingestellt werden.
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ALMA: neue Phase mit noch besseren Möglichkeiten und doppelter Leistung
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Grünes Licht für den 1. Turnus früher wissenschaftlicher Beobachtungen
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ALMA, das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, hat eine neue und deutlich erweiterte Phase von wissenschaftlichen Beobachtungen begonnen. Diese Phase wird als „Early Science Cycle 1“, also 1. Turnus wissenschaftlicher Beobachtungen bezeichnet und wird bis zum Oktober 2013 andauern. Die Leistung der Anlage wurde stark erhöht: ALMA beobachtet jetzt mit mehr Antennen, die über eine größere Fläche als jemals zuvor verteilt sind. Auch die Antennenschüsseln des Atacama Compact Arrays (ACA) werden erstmals zum Einsatz kommen.
Obwohl ALMA noch im Bau ist, begannen die ersten wissenschaftlichen Beobachtungen im Jahr 2011. Diese Phase war sozusagen der 0. Turnus. ALMA hat bereits jetzt alle anderen Teleskopanlagen ähnlicher Bauart übertroffen. Seine beispiellosen Möglichkeiten haben im Laufe des letzten Jahres eine Welle von hochinteressanten Ergebnissen erbracht.
Der 0. Turnus startete mit nur 16 der nach Fertigstellung insgesamt 66 Antennen deAntennenfelds, das wiederum aus fünfzig 12-Meter-Antennenschüsseln sowie einer Gruppe von zwölf 7-Meter und vier 12-Meter-Antennenschüsseln besteht, die das ACA bilden. Als Interferometer arbeitet ALMA wie ein Teleskop, das so groß wie der größte Abstand zwischen den einzelnen Antennenschüsseln ist. Im 0. Turnus wurden die Antennen mit Abständen von bis zu 400 Metern verwendet.
Im 1. Turnus wird ALMA 32 der 12-Meter-Antennenschüsseln im Hauptantennenfeld einsetzen, das doppelte der 16 Antennen im 0. Turnus. Damit wird sowohl das Lichtsammelvermögen als auch die Bildqualität verbessert. Die Antennenschüsseln werden bis zu Abständen von einem Kilometer eingesetzt, wodurch sich die Auflösung des Teleskops um mehr als das doppelte verbessert. Der ALMA-Korrelator – der spezielle Supercomputer, der die Signale der Antennenschüsseln kombiniert – kann mittlerweile auch mit einer größeren Zahl von Antennenschüsseln arbeiten (siehe eso1253). Zum ersten Mal stehen außerdem die Antennenschüsseln des ACA für wissenschaftliche Beobachtungen zur Verfügung – neun 7-Meter-Antennenschüsseln und zwei 12-Meter-Antennen-Schüsseln, die man in Kombination mit dem Hauptantennenfeld zur Beobachtung von ausgedehnten Objekten am Himmel nutzen kann.
Die größeren 12-Meter-Antennen des Hauptantennenfelds können nicht näher als 15 Meter nebeneinander gestellt werden, da sie sonst zusammenstoßen. Diese minimale Trennung zwischen den Antennen begrenzt die maximaleGröße der Objekte, die am Himmel detektiert werden können. Das bedeutet, dass die Beobachtung ausgedehnter Objekte wie riesiger Wolken molekularen Gases in der Milchstraße oder von nahen Galaxien nicht möglich ist. Das ACA wurde speziell dafür entwickelt, ALMA-Beobachtungen von ausgedehnten Objekten zu verbessern. Seine kleineren 7-Meter Antennen können näher aneinander platziert werden und ermöglichen die Vermessung der ausgedehnteren Strukturen, die mit dem Hauptantennenfeld nicht erreichbar sind.
Man geht davon aus, dass während des 1. Turnus ungefähr 800 Stunden Beobachtungszeit mit dem Hauptantennenfeld und 800 Stunden mit ACA zur Verfügung stehen.
Astronomen aus der ganzen Welt haben über 1100 Anträge für Beobachtungen im 1. Turnus eingereicht, davon konnten nur die 196 Projekte mit der höchsten Priorität ausgewählt werden. Diese Projekte decken einen extrem breiten Bereich astronomischer Themen in den fünf ALMA-Hauptwissenschaftsbereichen ab: Kosmologie und das sehr weit entfernte Universum, Galaxien und ihre Kerne, das interstellare Medium, Sternentstehung und Astrochemie, Exoplaneten, Scheiben um Sterne und das Sonnensystem sowie die Entwicklung von Sternen und der Sonne.
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Quelle: ESO
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