Listo el supercomputador que permite a ALMA funcionar como un poderoso telescopio

21 diciembre, 2012

Uno de los supercomputadores más poderosos del mundo ha sido instalado y puesto a prueba a una gran altitud, en sus remotas instalaciones ubicadas en los Andes del norte chileno. Esto marca uno de los hitos más importantes en el camino hacia la culminación del Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), el telescopio terrestre más sofisticado de la historia. El especializado correlacionador de ALMA tiene más de 134 millones de procesadores y efectúa hasta 17 mil billones de operaciones por segundo [1], una velocidad que sólo se compara al supercomputador de uso general más rápido que hoy exista [2].

Los 134 millones de procesadores del correlacionador de ALMA combinarán y cotejarán permanentemente las débiles señales del cielo captadas por las 50 antenas parabólicas del conjunto principal de ALMA, lo que permitirá que estas funcionen como si fueran un solo telescopio astronómico gigante. El correlacionador también puede incorporar las señales de 14 a 16 antenas del Atacama Compact Array (ACA), un componente adicional de ALMA proporcionado por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ, en su sigla en inglés) y así combinar las señales de 64 antenas [3]. En los conjuntos de radiotelescopios, la sensibilidad y la calidad de las imágenes aumenta en función de la cantidad de antenas.

El correlacionador de ALMA, financiado por las entidades estadounidenses Fundación Nacional de Ciencias (NSF, en su sigla en inglés) y el Observatorio Radioastronómico Nacional (NRAO), es un componente clave de este sistema de radiotelescopios, que los astrónomos ya están usando para hacer nuevos hallazgos sobre la formación de planetas, estrellas y galaxias. A diferencia de los telescopios ópticos, que observan la luz visible emitida por las estrellas, ALMA explora una parte del espectro de luz invisible: el de las ondas con longitudes milimétricas y submilimétricas.

Durante las observaciones, todas las antenas de ALMA apuntan hacia el mismo objeto celeste para recibir sus débiles ondas de radio. Antes de que los astrónomos puedan generar imágenes detalladas o producir análisis, se debe llevar a cabo un extenso procesamiento informático de los datos recabados por las antenas, las que están separadas entre ellas por distancias de hasta 16 kilómetros.

El correlacionador de ALMA se encarga de la primeras y cruciales etapas del procesamiento. Para que todo el sistema funcione como un solo telescopio, se debe combinar toda la información recogida por cada antena. Cuando se usa el correlacionador con la capacidad máxima de 64 antenas, hay 2.016 combinaciones de pares de antenas y hasta 17.000 billones de cálculos por segundo.

“Terminar e instalar el correlacionador representa un gran hito en el cumplimiento de la misión de Norteamérica en el proyecto de construcción de ALMA” dijo Mark McKinnon, Gerente del Proyecto ALMA para Norteamérica por parte de NRAO. “Los desafíos técnicos fueron enormes y nuestro equipo logró superarlos”, agregó.

Uno de los desafíos que enfrentó el equipo a cargo de diseñar el sistema, dirigido por el experto en correlacionadores Ray Escoffier, fueron los costos. “Cuando evaluamos el proyecto, nos dimos cuenta de que se habría necesitado, en la época, lo equivalente a mil millones de dólares en computadores personales para realizar los cálculos necesarios. Así que construimos nuestra propia máquina por cerca de 11 millones de dólares”, cuenta John Webber, ex director del Laboratorio Central de Desarrollo de NRAO en Charlottesville, Virginia.

Las condiciones extremas del lugar donde se usaría el equipo constituían otro desafío. El correlacionador está instalado en el Sitio de Operaciones del Conjunto de ALMA (AOS, en su sigla en inglés), el único edificio de alta tecnología del mundo situado a 5.000 metros. A tamaña altitud el aire escasea, por lo que se necesita el doble de volumen de ventilación para enfriar el equipo, que consume cerca de 140 kilovatios de electricidad. Con tan poco aire los discos duros de los computadores no funcionan muy bien, por lo que el correlacionador y los computadores con los que está conectado tienen que funcionar sin discos. Y como los movimientos telúricos son frecuentes en el área, hubo que diseñar el correlacionador de tal forma que soportara las vibraciones producidas por los sismos.

La escasez de aire en ALMA también afecta al desempeño humano. Aunque el edificio técnico del AOS debería funcionar sin intervención humana durante sus operaciones, se necesitaron unas 20 semanas de trabajo para desempacar e instalar el correlacionador. “Tuvimos que conectar miles y miles de cables, y son todos del mismo color azul, así que me alegro de que hayamos ideado un buen sistema de etiquetado cuando nos encontrábamos al nivel del mar”, recuerda el jefe del equipo a cargo del correlacionador, Rich Lacasse, de NRAO.

El socio europeo de ALMA, encabezado por la Organización Europea para la Investigación Astronómica en el Hemisferio Austral (ESO, en su sigla en inglés), proporcionó un importante componente del correlacionador: un conjunto de 550 tarjetas de circuitos con filtros digitales de última generación fabricados por la Universidad de Burdeos [4] que incrementan la capacidad del sistema para distinguir pequeños matices de color, o longitudes de onda. Con estos filtros, la luz que capta ALMA puede dividirse en 32 veces más rangos de longitudes de onda que en el diseño original, y cada uno de estos intervalos se puede ajustar con gran precisión. “Esta flexibilidad es fantástica” – señaló Alain Baudry, de la Universidad de Burdeos, líder del equipo europeo del correlacionador de ALMA- “nos permite descomponer el espectro de luz que ALMA ve, y así centrarnos sólo en las longitudes de onda necesarias para una observación específica, ya sea rastreando las moléculas de gas en una nube de formación estelar o buscando algunas de las galaxias más distantes en el Universo”.

ALMA comenzó las observaciones científicas en 2011, con un conjunto parcial de antenas. Una sección del correlacionador ya se utilizaba para combinar las señales de dicho grupo, pero ahora el sistema se encuentra completamente terminado. El correlacionador está listo para que ALMA comience a operar con un mayor número de antenas, lo que aumentará la sensibilidad y la calidad de imagen de las observaciones.

ALMA se encuentra prácticamente terminado y será inaugurado en marzo de 2013.

Notes

[1] 17 mil billones = 17.000.000.000.000.000.

[2] El récord actual en el ranking de los 500 supercomputadores más poderosos de uso general  TOP500 lo tiene  Titan, de la empresa Cray Inc. Éste es capaz de realizar 17.590 billones de operaciones de cálculo por segundo. Es importante destacar que el correlacionador de ALMA es un supercomputador especializado, por lo que no es apto para este ranking.

[3] El correlacionador de ALMA es uno de dos sistemas de este tipo, que han sido incorporados en el complejo de ALMA. El total de 66 antenas comprende un conjunto principal de 50 antenas (la mitad proporcionadas por ESO, y la otra mitad por NRAO) y un conjunto complementario adicional de 16 antenas, denominado Conjunto Compacto de Atacama (ACA, por sus siglas en inglés), aporte del Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ). Un segundo correlacionador, construido por la empresa Fujitsu y entregado por NAOJ, permite comparar los datos obtenidos solo por las 16 antenas del ACA de manera independiente, excepto cuando algunas de estas antenas se combinan con el resto de las 50 antenas principales del conjunto.

[4] Este proyecto fue la continuación del trabajo realizado en nuevos conceptos para el correlacionador, desarrollado por la Universidad de Burdeos en conjunto con ASTRON en Holanda, y el Observatorio de Arcetri, en Italia.

Información adicional

El radiotelescopio ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), una instalación astronómica internacional, es una asociación entre Europa, Norteamérica y Asia del Este en cooperación con la República de Chile. La construcción y las operaciones de ALMA a nombre de Europa se encuentran a cargo de ESO, a nombre de Norteamérica son responsabilidad del Observatorio Radio Astronómico Nacional (NRAO), que es operado por Associated Universities, Inc. (AUI) y a nombre de Asia del Este corresponden al Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ). El Joint ALMA Observatory (JAO) tiene a su cargo la dirección general y la gestión de la construcción, como también la puesta en marcha y las operaciones de ALMA.

Contactos:

Alain Baudry
Laboratorio de Astrofísica de Burdeos,
Universidad de Burdeos
Floirac, Francia
Tel: +33 5 57 77 61 62
Email: baudry@obs.u-bordeaux1.fr

Valeria Foncea
Directora de Comunicaciones y Educación,
Observatorio ALMA
Santiago, Chile
Tel: +56 2 2467 6258
Cell: +56 9 75871963
Email: vfoncea@alma.cl

John Stoke 
Subdirector de Educación y Extensión
Observatorio Nacional de Radio Astronomía
Charlottesville VA, EE.UU.
Tel: +1 434 244 6896
Email: jstoke@nrao.edu 

Douglas Pierce-Price 
Encargado de Prensa, ESO
Garching, Alemania
Tel: +49 89 3200 6759
Email: dpiercep@eso.org

Masaaki Hiramatsu 
Encargado de Educación y Extensión, NAOJ Chile
Observatorio de Tokio, Japón
Tel: +81 422 34 3630
E-mail: hiramatsu.masaaki@nao.ac.jp