Prisvindende algoritme tager søgen efter beboelige planeter til det næste niveau

Et internationalt hold af forskere, herunder KAUST højtydende computereksperter og astronomer fra Paris Observatory og National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ), i samarbejde med NVIDIA, tager søgen efter beboelige planeter og observation af galakser fra første epoke til det næste niveau.

En demonstration på himlen blev for nylig opnået på NAOJs 8,2 meter Subaru-teleskop, og Paris-observatoriets hold er allerede i gang med at opskalere algoritmerne til fremtidige større teleskoper. KAUST Extreme Computing Research Center (ECRC) arbejder sammen med astronomerne om at udvikle de avancerede Extreme-AO-algoritmer, der vil imødekomme den formidable beboelige exoplanetbilledudfordring.

"Afbildning af exoplaneter med store jordbaserede teleskoper er meget udfordrende på grund af stjerne/planet-kontrasten og sløring induceret af Jordens atmosfære. Meget højtydende adaptiv optik - nogle gange omtalt som 'Extreme-AO' - er påkrævet, " sagde Dr. Hatem Ltaief, seniorforsker i ECRC.

En radikalt ny tilgang til AO er opstået fra samarbejdet:hurtigere, større og meget smartere kontrolalgoritmer. Drevet af universitetets lineære algebrakode, der kører på NVIDIA-grafikbehandlingsenheder (GPU'er), det nye beregningssystem optimerer sig selv løbende og lærer endda at forudse hurtigt skiftende optiske forstyrrelser, der induceres af Jordens atmosfære.

"Denne fantastiske nye teknologi bliver allerede brugt til at se nærmere på exoplaneter, der kredser omkring nærliggende stjerner. Med de større 25-40 meter teleskoper bygger astronomer i øjeblikket, nye jordlignende planeter, der kredser om nærliggende stjerner, vil blive afbildet, og deres atmosfæriske sammensætning vil blive målt for at lede efter tegn på liv, såsom ilt, vand eller metan, " sagde professor Damien Gratadour, en astronom ved Paris Observatorium.

ECRC-forskere implementerede for nylig en ny Singular Value Decomposition (SVD) algoritme, ofte omtalt som arbejdshesten for numerisk lineær algebra, at styre et lille højhastigheds deformerbart spejl optimalt for at kompensere for atmosfærisk turbulens. Denne forskning resulterede i en af ​​de bedste papirpriser ved Platform for Advanced Scientific Computing (PASC) Conference 2018 i Basel, Schweiz. Innovationen er allerede med succes brugt af astronomer til at afbilde exoplaneter med Subaru-teleskopet placeret på 14, 000 fod på Hawaii.

"Denne udfordring forværres yderligere med store teleskoper, hvor det er notorisk vanskeligt at afbilde beboelige planeter gennem Jordens atmosfære, og kræver en ny tilgang til adaptiv optik. Vores tidligere AO-systemer var ret langsomme og haltede bagefter den hurtigt skiftende optiske aberration på grund af atmosfærisk turbulens, " bemærkede professor Olivier Guyon, en astronom ved Subaru-teleskopet.

"SVD-algoritmen udviklet af KAUST-forskere gør os i stand til i realtid at korrigere for atmosfærisk sløring af billeder taget af store teleskoper ved hjælp af smartere Extreme-AO. Algoritmen lærer nu at optimere sig selv, og vi er ikke længere overlistet af turbulens, " fortsatte han.

At arbejde tæt sammen med NVIDIA har været afgørende for projektets succes.

"Dette er en hidtil uset HPC-udfordring, " sagde Steve Oberlin, Chief technology officer for accelerated computing hos NVIDIA. "Optiske aberrationer induceret af atmosfæren ændrer sig over millisekunders tidsskala. På nuværende store teleskoper, Algoritmer skal beregne tusindvis af deformerbare aktuatorpositioner på et millisekund eller mindre for at skærpe billeder. Subaru-teleskopet er den højeste registrerede jordbaserede brug af denne slags GPU-systemer. Vi fortsætter med at arbejde med teamet, da hardwaren er skaleret op til dette spændende projekt på grund af den kritiske ydeevnepåvirkning af NVIDIA GPU'er."

Projektgruppens arbejde bidrager til Mellemøstens historiske bidrag til astronomiområdet.

"Vi hjælper astronomer med at udnytte dagens og morgendagens mest avancerede teleskoper bedre. Interessant nok, mange af de stjerner, vi observerer med Subaru-teleskopet, blev først set af stjernekiggere i regionen og har bevaret deres arabiske navne. Vi håber at bidrage til traditionen for astronomi i regionen, " sagde Ltaief.