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Big Data verändert die Art und Weise, wie Astronomen Entdeckungen machen

Anfang dieses Jahres stießen Astronomen auf eine faszinierende Entdeckung: Tausende von Schwarzen Löchern existieren wahrscheinlich in der Nähe des Zentrums unserer Galaxie.

Die Röntgenbilder, die diese Entdeckung ermöglichten, stammten nicht von einem modernen neuen Teleskop. Sie wurden noch nicht einmal vor kurzem aufgenommen - einige der Daten wurden vor fast 20 Jahren gesammelt.

Nein, die Forscher haben die Schwarzen Löcher entdeckt, indem sie in alten, lang archivierten Daten gebuddelt haben.

Entdeckungen wie diese werden immer häufiger, da die Ära der „Big Data“ die Art und Weise verändert, wie Wissenschaft betrieben wird. Astronomen sammeln jeden Tag eine exponentiell größere Menge an Daten - so viel, dass es Jahre dauern wird, bis alle versteckten Signale in den Archiven aufgedeckt sind.

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Vor sechzig Jahren arbeitete der typische Astronom weitgehend allein oder in einem kleinen Team. Sie hatten wahrscheinlich Zugang zu einem respektabel großen bodengestützten optischen Teleskop in ihrer Heimathochschule.

Ihre Beobachtungen beschränkten sich größtenteils auf optische Wellenlängen - mehr oder weniger was das Auge sehen kann. Das bedeutete, dass sie Signale von einer Vielzahl von astrophysikalischen Quellen verpasst haben, die nicht sichtbare Strahlung von sehr niederfrequentem Radio bis hin zu hochenergetischen Gammastrahlen aussenden können. Wenn man Astronomie machen wollte, musste man größtenteils eine akademische oder exzentrische Person sein, die Zugang zu einem guten Teleskop hatte.

Alte Daten wurden in Form von Fotoplatten oder veröffentlichten Katalogen gespeichert. Der Zugriff auf Archive von anderen Observatorien aus war jedoch schwierig - und für Amateurastronomen praktisch unmöglich.

Heute gibt es Observatorien, die das gesamte elektromagnetische Spektrum abdecken. Diese hochmodernen Observatorien, die nicht mehr von einzelnen Institutionen betrieben werden, werden in der Regel von Weltraumagenturen ins Leben gerufen und sind häufig gemeinsame Anstrengungen, an denen viele Länder beteiligt sind.

Mit Beginn des digitalen Zeitalters sind fast alle Daten kurz nach ihrem Erhalt öffentlich verfügbar. Dies macht die Astronomie sehr demokratisch - jeder, der möchte, kann fast jeden Datensatz, der die Nachrichten enthält, erneut analysieren. (Auch Sie können sich die Chandra-Daten ansehen, die zur Entdeckung von Tausenden von Schwarzen Löchern geführt haben!)

Das Hubble-Weltraumteleskop Das Hubble-Weltraumteleskop (NASA)

Diese Observatorien erzeugen eine erstaunliche Menge an Daten. Beispielsweise hat das Hubble-Weltraumteleskop, das seit 1990 in Betrieb ist, mehr als 1, 3 Millionen Beobachtungen durchgeführt und überträgt wöchentlich etwa 20 GB Rohdaten. Dies ist beeindruckend für ein Teleskop, das erstmals in den 1970er Jahren konstruiert wurde. Das Atacama Large Millimeter Array in Chile rechnet nun damit, dass seine Archive täglich um 2 TB Daten erweitert werden.

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Die Archive astronomischer Daten sind bereits beeindruckend groß. Aber die Dinge explodieren gleich.

Jede Generation von Observatorien ist in der Regel mindestens zehnmal empfindlicher als die vorherige, entweder aufgrund verbesserter Technologie oder weil die Mission einfach größer ist. Abhängig davon, wie lange eine neue Mission läuft, kann sie hunderte Male mehr astronomische Quellen erkennen als frühere Missionen bei dieser Wellenlänge.

Vergleichen Sie zum Beispiel das frühe EGRET-Gammastrahlenobservatorium, das in den 1990er Jahren geflogen ist, mit der Flaggschiff-Mission der NASA, Fermi, die in diesem Jahr 10 Jahre alt wird. EGRET detektierte nur etwa 190 Gammastrahlenquellen am Himmel. Fermi hat über 5.000 gesehen.

Das Large Synoptic Survey Telescope, ein in Chile im Bau befindliches optisches Teleskop, wird alle paar Nächte den gesamten Himmel abbilden. Es wird so sensibel sein, dass es bei neuen oder vorübergehenden Quellen 10 Millionen Warnungen pro Nacht generiert, was nach 10 Jahren zu einem Katalog von über 15 Petabyte führt.

Das im Jahr 2020 fertiggestellte Quadratkilometer-Array wird das empfindlichste Teleskop der Welt sein und in der Lage sein, Flughafenradarstationen außerirdischer Zivilisationen in einer Entfernung von bis zu 50 Lichtjahren zu erfassen. In nur einem Jahr Aktivität werden mehr Daten generiert als im gesamten Internet.

Diese ehrgeizigen Projekte werden die Fähigkeit der Wissenschaftler testen, mit Daten umzugehen. Bilder müssen automatisch verarbeitet werden - das bedeutet, dass die Daten auf eine überschaubare Größe reduziert oder in ein fertiges Produkt umgewandelt werden müssen. Die neuen Observatorien setzen neue Maßstäbe bei der Rechenleistung und erfordern Einrichtungen, die Hunderte von Terabyte pro Tag verarbeiten können.

Die resultierenden Archive - alle öffentlich durchsuchbar - enthalten 1 Million Mal mehr Informationen als das, was auf einer typischen 1-TB-Sicherungsdiskette gespeichert werden kann.

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Die Datenflut wird die Astronomie zu einer kollaborativeren und offeneren Wissenschaft machen als jemals zuvor. Dank Internetarchiven, soliden Lerngemeinschaften und neuen Initiativen zur Öffentlichkeitsarbeit können die Bürger jetzt an der Wissenschaft teilnehmen. Mit dem Computerprogramm kann beispielsweise jeder die Leerlaufzeit seines Computers nutzen, um nach Gravitationswellen von kollidierenden Schwarzen Löchern zu suchen.

Es ist auch eine aufregende Zeit für Wissenschaftler. Astronomen wie ich studieren oft physikalische Phänomene in Zeiträumen, die so weit über das typische menschliche Leben hinausgehen, dass es einfach nicht passieren wird, sie in Echtzeit zu beobachten. Ereignisse wie eine typische Galaxienfusion - wie es sich anhört - können Hunderte von Millionen von Jahren dauern. Alles, was wir aufnehmen können, ist eine Momentaufnahme, wie ein einzelnes Standbild aus einem Video eines Autounfalls.

Es gibt jedoch einige Phänomene, die in kürzeren Zeiträumen auftreten, die nur einige Jahrzehnte, Jahre oder sogar Sekunden dauern. So entdeckten Wissenschaftler diese Tausenden von Schwarzen Löchern in der neuen Studie. Auf diese Weise haben sie kürzlich festgestellt, dass die Röntgenstrahlung aus dem Zentrum einer nahe gelegenen Zwerggalaxie abgenommen hat, seit sie zum ersten Mal in den 1990er Jahren festgestellt wurde. Diese neuen Entdeckungen legen nahe, dass mehr in jahrzehntelangen Archivdaten enthalten sein wird.

Ein mit einem Schwarzen Loch betriebener Heißgasstrahl in der riesigen elliptischen Galaxie M87. Ein mit einem Schwarzen Loch betriebener Heißgasstrahl in der riesigen elliptischen Galaxie M87. (NASA, ESA, E. Meyer, W. Sparks, J. Biretta, J. Anderson, ST Sohn und R. van der Marel (STScI), C. Norman (Johns Hopkins University) und M. Nakamura (Academia Sinica) ))

In meiner eigenen Arbeit benutze ich Hubble-Archive, um Filme von "Jets" zu machen, einem Hochgeschwindigkeitsplasma, das in Strahlen von Schwarzen Löchern ausgestoßen wird. Ich habe über 400 Rohbilder aus 13 Jahren verwendet, um den Jet in der nahe gelegenen Galaxie M87 zu filmen. Dieser Film zeigte zum ersten Mal die Drehbewegungen des Plasmas, was darauf hindeutet, dass der Jet eine helikale Struktur hat.

Diese Art der Arbeit war nur möglich, weil andere Beobachter zu anderen Zwecken zufällig Bilder der Quelle aufnahmen, an der ich interessiert war, als ich noch im Kindergarten war. Wenn astronomische Bilder größer, höher und empfindlicher werden, wird diese Art der Forschung zur Norm.


Dieser Artikel wurde ursprünglich auf The Conversation veröffentlicht. Die Unterhaltung

Eileen Meyer, Assistenzprofessorin für Physik, Universität von Maryland, Baltimore County

Big Data verändert die Art und Weise, wie Astronomen Entdeckungen machen