Een internationaal team van wetenschappers, waaronder KAUST high performance computing-experts en astronomen van het Observatorium van Parijs en het National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ), in samenwerking met NVIDIA, brengt de zoektocht naar bewoonbare planeten en observatie van sterrenstelsels uit het eerste tijdperk naar een hoger niveau.

Onlangs is er een demonstratie in de lucht gehouden met NAOJ's 8,2 meter lange Subaru-telescoop, en het team van het Observatorium van Parijs is al bezig met het opschalen van de algoritmen voor toekomstige grotere telescopen. Het KAUST Extreme Computing Research Center (ECRC) werkt samen met de astronomen om de geavanceerde Extreme-AO-algoritmen te ontwikkelen die het hoofd zullen bieden aan de formidabele uitdaging van bewoonbare exoplaneten.

"Het in beeld brengen van exoplaneten met grote telescopen op de grond is een hele uitdaging vanwege het ster/planeet-contrast en de vervaging die wordt veroorzaakt door de atmosfeer van de aarde. Er zijn zeer hoogwaardige adaptieve optica nodig, ook wel 'Extreme-AO' genoemd. " verklaarde Dr. Hatem Ltaief, een senior onderzoeker bij de ECRC.

Uit de samenwerking is een radicaal nieuwe benadering van AO voortgekomen:sneller, grotere en veel slimmere besturingsalgoritmen. Aangedreven door de lineaire algebracode van de universiteit die draait op NVIDIA grafische verwerkingseenheden (GPU's), het nieuwe computersysteem optimaliseert zichzelf voortdurend en leert zelfs te anticiperen op snel veranderende optische storingen veroorzaakt door de atmosfeer van de aarde.

"Deze fantastische nieuwe technologie wordt nu al gebruikt om exoplaneten die rond nabije sterren draaien van dichterbij te bekijken. Met de grotere telescopen van 25-40 meter die astronomen momenteel bouwen, nieuwe aardachtige planeten die in een baan om nabije sterren draaien, zullen worden afgebeeld en hun atmosferische samenstelling zal worden gemeten om te zoeken naar tekenen van leven zoals zuurstof, water of methaan, " zei professor Damien Gratadour, een astronoom bij het Observatorium van Parijs.

ECRC-onderzoekers hebben onlangs een nieuw Singular Value Decomposition (SVD)-algoritme geïmplementeerd, vaak aangeduid als het werkpaard voor numerieke lineaire algebra, om een ​​kleine, snel vervormbare spiegel optimaal te regelen om atmosferische turbulentie te compenseren. Dit onderzoek resulteerde in een van de beste paper awards op de Platform for Advanced Scientific Computing (PASC) Conference 2018 in Basel, Zwitserland. De innovatie wordt al met succes door astronomen gebruikt om exoplaneten in beeld te brengen met de Subaru-telescoop op 14, 000 voet in Hawaï.

"Deze uitdaging wordt nog verergerd met grote telescopen, waar het in beeld brengen van bewoonbare planeten door de atmosfeer van de aarde notoir moeilijk is, en vereist een nieuwe benadering van adaptieve optica. Onze vorige AO-systemen waren vrij traag en liepen achter op de snel veranderende optische aberratie als gevolg van atmosferische turbulentie, " merkte professor Olivier Guyon op, een astronoom bij de Subaru Telescope.

"Het SVD-algoritme dat is ontwikkeld door KAUST-wetenschappers stelt ons in staat om in realtime te corrigeren voor atmosferische vervaging van beelden gemaakt door grote telescopen met behulp van slimmere Extreme-AO. Het algoritme leert nu zichzelf te optimaliseren en we zijn niet langer te slim af door turbulentie, " hij ging verder.

De nauwe samenwerking met NVIDIA is van cruciaal belang geweest voor het succes van het project.

"Dit is een ongekende HPC-uitdaging, " zei Steve Oberlin, chief technology officer voor versneld computergebruik bij NVIDIA. "Optische aberraties veroorzaakt door veranderingen in de atmosfeer over een tijdschaal van milliseconden. Op de huidige grote telescopen, algoritmen moeten duizenden vervormbare actuatorposities in een milliseconde of minder berekenen om beelden te verscherpen. De Subaru-telescoop is het hoogst geregistreerde terrestrische gebruik van dit soort GPU-systemen. We blijven samenwerken met het team terwijl de hardware wordt opgeschaald voor dit opwindende project vanwege de kritieke prestatie-impact van NVIDIA GPU's."

Het werk van het projectteam draagt ​​bij aan de historische bijdrage van het Midden-Oosten op het gebied van astronomie.

"We helpen astronomen om beter gebruik te maken van de meest geavanceerde telescopen van vandaag en morgen. Interessant is dat veel van de sterren die we met de Subaru-telescoop waarnemen, zijn voor het eerst waargenomen door sterrenkijkers in de regio en hebben hun Arabische naam behouden. We hopen bij te dragen aan de traditie van de astronomie in de regio, ' zei Ltaief.