Vezměte si domů Einsteina!

Jiří Hofman, 10. října 2005

Einstein@Home je vědecký program, který využívá zbytkový výpočetní výkon počítačů po celém světě k hledání pulzarůPulsar – neutronová hvězda, jejíž magnetická a rotační osa nemají shodný směr. Zářící oblasti v magnetických pólech hvězdy díky rotaci vytvářejí pro pozorovatele majákovým efektem pulsy, zpravidla radiové, výjimečně až rentgenové či gama. První pulsar byl objeven v roce 1967. v datech z projektů LIGOLIGO – Laser Interferometry Gravitation Wave Observatory, největší světový interferometr pro hledání gravitačních vln s délkou ramen 4 km. Postaveny jsou dva detektory stejného typu, jeden v Livingstonu a druhý v Hanfordu (USA). Frekvenční rozsah detektoru je 10 Hz až 10 kHz. Detektor byl uveden do provozu v roce 2002. a GEO 600GEO 600 – německo-anglický detektor gravitačních vln umístěný v blízkosti Hannoveru. Interferenční ramena mají délku 600 metrů, frekvenční rozsah je 50 Hz až 1,5 kHz. Detektor je v provozu od roku 2002.. Tyto projekty se snaží o přímou detekci gravitačních vlnGravitační vlna – periodicky se šířící zakřivení času a prostoru. Může vzniknout v okolí těles s nenulovým kvadrupólovým momentem, například kolem dvojice rotujících kompaktních hvězd. Právě tyto vlny by měly být nejběžnější a mít frekvenci zhruba 1 kHz. pomocí velkých interferometrů. Jedná se tedy hlavně o nalezení vůbec prvního přímého důkazu, že gravitační vlny, které jsou součástí obecné teorie relativityObecná relativita – teorie gravitace publikovaná Albertem Einsteinem v roce 1916. Její základní myšlenkou je tvrzení, že každé těleso svojí přítomností zakřivuje prostor a čas ve svém okolí. Ostatní tělesa se v tomto pokřiveném světě pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách. Alberta Einsteina, existují.

BOINC – dělejte vědu doma v posteli!

Jeden z prvních a nejznámějších projektů, který začal využívat lelkujících počítačů po celém světě, byl SETI@Home. Vyhledává podezřelé radiové signály, jež by mohly znamenat, že ve vesmíru nejsme sami. Projekt rozběhla a udržuje Laboratoř kosmických věd (Space Sciences Laboratory) na Kalifornské univerzitě v Berkeley. Vedoucí tohoto projektu David Anderson se ale v roce 2002 rozhodl, že úspěch projektu by měl nějak přímo pomoci i ostatním podobným vědeckým projektům a začal pracovat na systému BOINC (Berkeley Open Infrastructure for Network Computing – Berkeleyská otevřená infrastruktura pro síťové počítání).

Logo systému BOINC. Zdroj: University of California.

BOINC je software klasické architektury klient-server, kde server rozdává práci a klienti ve svém volném čase počítají vědecké výpočty, které by i na nejrychlejších superpočítačích zabraly příliš mnoho času. Ačkoliv žádný z počítačů, který se na výpočtu podílí, se nemůže do kategorie superpočítačů zařadit, je celkový výkon sítě mnoha klientů vyšší, než má ten nejrychlejší z dosud postavených počítačů. Současný společný výkon ve všech projektech využívající BOINC se pohybuje okolo 170 TeraFLOPSTeraFLOPS – (Tera FLoating point Operations Per Second) jednotka výpočetního výkonu (rychlosti) počítače nebo soustavy počítačů. 1 TeraFLOPS znamená bilion, tedy 10¹², operací s čísly ve formátu s plovoucí čárkou., přičemž nejrychlejší ze superpočítačů, BlueGene/L se 65 536 procesory, počítá rychlostí jen 137 TeraFLOPSTeraFLOPS – (Tera FLoating point Operations Per Second) jednotka výpočetního výkonu (rychlosti) počítače nebo soustavy počítačů. 1 TeraFLOPS znamená bilion, tedy 10¹², operací s čísly ve formátu s plovoucí čárkou.. Výkony dnešních osobních počítačů se přitom pohybují okolo 1 GigaFLOPS.

Software BOINC nyní využívá nejméně šest pilotních projektů.

• Climateprediction.net: Studuje klimatické změny.
• Einstein@home: Hledá gravitační vlny vysílané pulzary.
• LHC@home: Simuluje částice v urychlovači LHCLHC – Large Hadron Collider. Urychlovač protonů na energie 14 TeV. Buduje se v komplexu laboratoří CERN v tunelu po urychlovači LEP II. Předpokládané uvedení do provozu je v roce 2007. v CERNu.
• Predictor@home: Hledá struktury bílkovin v závislosti na posloupnosti aminokyselin v nich.
• Rosetta@home: Zkoumá struktury bílkovin a jejich vzájemné interakce.
• SETI@home: Hledá radiový důkaz existence mimozemské civilizace.

Zřejmě proto, že SETI@Home byl vlastně předek BOINCu, svůj výpočetní čas mu nyní věnuje nejvíce uživatelů (70 % celkového výpočetního výkonu). Druhým největším strávníkem je momentálně Einstein@Home (15 %), který předběhl dříve populárnější Climateprediction.net (7 %).

Podobně jako v původním SETI@Home, i BOINC poskytuje všechny možné statistiky pro každý z projektů i pro všechny dohromady. Můžeme se tak dovědět, jaké počítače počítají, ale také žebříček zemí nebo týmů. Česko se rozhodně nemusí stydět. V projektu Einstein@Home se naše země nachází v první desítce, přičemž je nejen před všemi ostatními zeměmi bývalého socialistického tábora, ale předstihuje také mnoho bohatých zemí Západu. Český výkon se přitom pohybuje okolo 0,5 TeraFLOPSTeraFLOPS – (Tera FLoating point Operations Per Second) jednotka výpočetního výkonu (rychlosti) počítače nebo soustavy počítačů. 1 TeraFLOPS znamená bilion, tedy 10¹², operací s čísly ve formátu s plovoucí čárkou..

Einstein@Home

Projekt Einstein@Home vznikl v roce 2004 a je zařazen mezi oficiální projekty k Mezinárodnímu roku fyziky, který nyní pod záštitou Organizace spojených národů probíhá na počest sta let od Einsteinova „Zázračného roku“.

Nalevo: Albert Einstein v roce 1948. Zdroj: Y. Karsh, Library and Archives Canada.
Napravo: Logo světového roku fyziky. Má připomínat kužel budoucnosti
a minulosti pro událost ve speciální relativitě.

Klient jakéhokoliv BOINC projektu sestává ze dvou částí, z démona (popřípadě služby), který řídí výpočty a komunikuje se serverem, a manažera, který je vlastně jen grafickým uživatelským rozhraním. To, co různé projekty rozděluje, je tzv. vědecká aplikace, tedy program, který provádí vlastní výpočty. Tato část se stáhne, až když si určitý projekt vyberete a připojíte se do něho.

Po stáhnutí a nainstalování klienta pro BOINC a zaregistrování se do projektu Einstein@Home, se můžete stát součástí sítě počítačů o celkovém výkonu asi 25 TeraFLOPSTeraFLOPS – (Tera FLoating point Operations Per Second) jednotka výpočetního výkonu (rychlosti) počítače nebo soustavy počítačů. 1 TeraFLOPS znamená bilion, tedy 10¹², operací s čísly ve formátu s plovoucí čárkou.. Budete zkoumat data z jednoho ze čtyř intereferometrů. Dva z nich jsou v Hanfordu v americkém státě Washington, jeden s rameny 4 km a druhý 2 km dlouhými. Další se čtyřkilometrovými rameny se nalézá v Livingstonu v Louisianě. Poslední a nejmenší je postaven u Hannoveru v Německu. Ten má ramena „jen“ 600 m dlouhá.

Manažer umí také k právě počítaným datům zobrazovat grafický výstup. V případě projektu Einstein@Home se zobrazuje mapa hvězdné oblohy se souhvězdími, pulzaryPulsar – neutronová hvězda, jejíž magnetická a rotační osa nemají shodný směr. Zářící oblasti v magnetických pólech hvězdy díky rotaci vytvářejí pro pozorovatele majákovým efektem pulsy, zpravidla radiové, výjimečně až rentgenové či gama. První pulsar byl objeven v roce 1967. a zbytky po výbuchu supernov. Pomocí ikonek se pak na hvězdnou oblohu promítají aktuální polohy všech čtyř využívaných interferometrů. Hvězdná obloha se také může promítat jako spořič obrazovky. Klienti jsou k dispozici pro operační systémy Windows, Linux, Macintosh OS X a Solaris.

Proměnná jasnost (ve viditelném spektru) pulzaru v Krabí mlhovině (M1) během
jedné periody po jedné milisekundě. Zdroj: N. A. Sharp, NOAO/AURA/NSF

Screensaver Einstein@home – rotující hvězdná sféra.

Bonus: Animace „Zánik dvou trpaslíků“

Rentgenová observatoř ChandraChandra – družicová observatoř NASA v rentgenovém oboru vypuštěná v roce 1999. Na palubě observatoře je rentgenový dalekohled o průměru 1,2 m a ohniskové délce 10,05 m, tvořený čtyřmi soubory souosých paraboloidněhyperboloidních zrcadel o délce 0,85 m, se zorným polem o průměru 1,0° a s rozlišením 0,5″. nalezla binární soustavu RX J0806.3+1527 složenou ze dvou bílých trpaslíkůBílý trpaslík – Jedna z možných závěrečných fází vývoje hvězd. Hvězda, ve které degenerovaný elektronový plyn vyvíjí gradient tlaku (způsobený Pauliho vylučovacím principem), který odolává gravitaci. Poloměr je 1000 km až 30000 km, hustota až 10³ kg cm^-3, maximální hmotnost 1,44 M_S. Hmotnější bílí trpaslíci jsou nestabilní, tuto tzv. Chandrasekharovu mez odvodil Subrahmanyan Chandrasekhar v roce 1930. Objev prvního bílého trpaslíka: Již v roce 1834 Fridrich Bessel předpověděl průvodce Síria A z newtonovské teorie na základě vlnovkovité trajektorie hvězdy Sírius. Tento průvodce (Sírius B) byl objeven v optické dílně bratří Clarků roku 1862 (Alvan Clark - test objektivu průměru 45 cm). Sírius B je prvním známým bílým trpaslíkem. Byla na něm demonstrována správnost newtonovské teorie (vlnovkovitá trajektorie Síria A) i potvrzena OTR (červený posuv). Sírius B je enormně malý a hustý s průměrem 11736 km, ρ = 3×103 kg cm^-3. Povrchová teplota je 24800 K, vzdálenost 8,6 l.y. a hmotnost 1,03 M_S.. Trpaslíci jsou od sebe vzdáleni pouhých 80 000 km! Podle obecné relativityObecná relativita – teorie gravitace publikovaná Albertem Einsteinem v roce 1916. Její základní myšlenkou je tvrzení, že každé těleso svojí přítomností zakřivuje prostor a čas ve svém okolí. Ostatní tělesa se v tomto pokřiveném světě pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách. intenzivně vyzařují gravitační vlnyGravitační vlna – periodicky se šířící zakřivení času a prostoru. Může vzniknout v okolí těles s nenulovým kvadrupólovým momentem, například kolem dvojice rotujících kompaktních hvězd. Právě tyto vlny by měly být nejběžnější a mít frekvenci zhruba 1 kHz. a díky úniku energie se zkracuje jejich orbitální perioda a za několik set tisíc let splynou v neutronovou hvězduNeutronová hvězda – těleso tvořené degenerovaným neutronovým plynem o hmotnosti menší než cca 3 M_S (Landauova-Oppenheimerova-Volkoffova mez). Typický průměr neutronové hvězdy je v řádu desítek kilometrů, průměrná hustota 10¹¹ kg m⁻³ dosahuje hodnot hustoty atomového jádra. Neutronové hvězdy vznikají při gravitačním kolapsu velmi hmotných červených veleobrů, při výbuchu supernovy typu II. Obrovský tlak způsobuje „vtlačení“ elektronů do protonů za vzniku neutronů a neutrin. Neutronové hvězdy byly teoreticky předpovězeny ve 30. letech 20. století.. Jde o nejintenzivnější trvalý zdroj gravitačních vln na obloze. Jejich detekce je ovšem jen nepřímá, z energetické bilance dvojhvězdy. Detekce gravitačním detektorem LIGOLIGO – Laser Interferometry Gravitation Wave Observatory, největší světový interferometr pro hledání gravitačních vln s délkou ramen 4 km. Postaveny jsou dva detektory stejného typu, jeden v Livingstonu a druhý v Hanfordu (USA). Frekvenční rozsah detektoru je 10 Hz až 10 kHz. Detektor byl uveden do provozu v roce 2002. je pravděpodobně nemožná, ale dostatečnou citlivost by měl mít budoucí detektor LISALISA – Laser Interferometry Satellite Antena, budoucí projekt NASA tří sond obíhajících kolem Slunce. Vzájemná vzdálenost sond bude 5 000 000 km a budou tvořit obří interferometr pro zjišťování gravitačních vln.. Na animaci je animace gravitačních vln vznikajících kolem objektu. Zdroj: NASA/Dana Berry, Sky Works Digital.

Odkazy