Einstein allein zu Haus

23.02.2005

Die Kräuselung der Raumzeit soll per Distributed Computing gefunden werden

Mit Seti@Home sollten Außerirdische gefunden werden. Das ist zwar noch nicht gelungen, doch der große Erfolg der Idee hat nun neue astronomische Projekte angeregt.

Mit Seti@Home ist das Zusammenschalten von leerlaufenden Rechenkapazitäten über das Internet bekannt geworden: Aufgaben, für die enorme Rechenleistungen notwendig sind -- ob nun das Durchsuchen des von Radioteleskopen empfangenen Rauschens nach den möglichen Signalen Außerirdischer, das Analysieren von Eiweißstrukturen oder das Suchen von Primzahlen: Tausende gewöhnlicher PCs sind einem Großrechner in der Leistung durchaus ebenbürtig. Wer Rechenleistung entbehren kann und will, lädt dazu eine Software, die in Arbeitspausen beispielsweise als Bildschirmschoner tätig wird. Alle paar Tage wird dann das Rechenergebnis an die Zentrale des Dienstes geschickt und ein neues Datenpaket abgeholt.

Besonders effektiv ist dies natürlich bei Rechnern, die sowieso durchlaufen müssen, aber dabei normal nicht ausgelastet sind. Notebooks sollte man allerdings nicht zum Distributed Computing benutzen, da der CPU-Lüfter sonst in Arbeitspausen jaulend hochläuft, wenn der Rechner anfängt, große Zahlen zu verspeisen. Und bei PCs am Arbeitsplatz ist auch Vorsicht geboten, da mancher Arbeitgeber solch altruistische Rechenspenden als Verschwendung von Firmenvermögen ansehen könnte -- wird der PC extra für Distributed Computing angelassen, so ist es das auch -- oder als Sicherheitsrisiko.

Auf der Suche nach verbogenen Räumen und krummen Zeiten

Nun geht es bei der Suche wieder in den Weltraum. Nicht Außerirdische, doch etwas mindestens ebenso Science-Fiction-mäßiges: Gravitationswellen und die daraus resultierende Raum-Zeit-Krümmung. Es geht um den Nachweis der von Albert Einstein 1916 vorausgesagten Gravitationswellen. Der deutsch-britische Gravitationswellendetektor GEO600 und die drei amerikanischen LIGO-Detektoren sind empfindlich genug, um durch Gravitationswellen verursachte winzige Längenänderungen messen zu können. Allerdings fallen dabei riesige Datenmengen an.

Um diese genau auszuwerten und den durch die Gravitationswellen erzeugten "Kräuselungen der Raumzeit" auf die Spur zu kommen, sind enorme Computerkapazitäten erforderlich -- Schätzungen zufolge ein Vielfaches der Kapazitäten der bisher verfügbaren größten Superrechnern. Und so soll mit demselben System wie bei Seti@home -- BOINC, dem Nachfolger der ursprünglichen Seti@home-Software, ein weltweites PC-Netzwerk die internationale astrophysikalische Forschung unterstützen. Hunderttausende Nutzer weltweit sollen so mithelfen, zehntausende tun es bereits.

Gravitationswellen -- kleinste rhythmische Stauchungen und Dehnungen des Raums

Albert Einstein veränderte vor 100 Jahren mit der Speziellen Relativitätstheorie unsere Vorstellungen von Raum und Zeit. 1915 zeigte er mit der Allgemeinen Relativitätstheorie zusätzlich, dass die Schwerkraft (Gravitation) nicht als Kraft, sondern als eine Eigenschaft der Geometrie von Raum und Zeit zu verstehen ist.

1916 sagte er erstmals Gravitationswellen voraus: kleinste Kräuselungen der Raumzeit, die durch die beschleunigte Bewegung von Massen entstehen und sich mit Lichtgeschwindigkeit im Raum ausbreiten.

Der Durchgang einer Gravitationswelle äußert sich in Form kleinster rhythmischer Stauchungen und Dehnungen des Raums: Selbst bei einem äußerst kraftvollen Ereignis wie einer Sternenexplosion in einer Nachbargalaxie entstandene Gravitationswellen verändern den Abstand zwischen Erde und Sonne nur um den Durchmesser eines Wasserstoffatoms -- und das auch nur für wenige tausendstel Sekunden.

Albert Einstein ging davon aus, dass der durch Gravitationswellen verursachte Effekt wohl niemals direkt gemessen werden könne. In diesem Punkt irrte er sich möglicherweise: Die moderne Technologie der Laser-Interferometrie ist inzwischen in die erforderlichen Empfindlichkeitsbereiche vorgedrungen. Jetzt gilt es, aus den riesigen Datenmengen die richtigen Informationen herauszufiltern.

Ein indirekter Nachweis von Gravitationswellen gelang in den 1970er Jahren den amerikanischen Astronomen Russell Hulse und Joseph Taylor. Sie erhielten dafür 1993 den Nobelpreis für Physik.

Die Vergabe des Nobelpreises für die Forschungsarbeiten von Hulse und Taylor unterstreicht die Bedeutung der Gravitationswellenastronomie für die moderne Forschung. Man erwartet von ihr wegweisende, neue Einsichten in die Entstehung und Beschaffenheit des Universums, da uns mit den herkömmlichen astronomischen Methoden 95% des Universums verborgen bleiben. Der direkte Nachweis von Gravitationswellen gehört zu den bedeutendsten internationalen Forschungszielen -- allein die amerikanische National Science Foundation (NSF) investiert rund ein Viertel ihrer gesamten Ausgaben für die Physikforschung in die Gravitationswellenastronomie.

Einstein@Home ist eines der wichtigeren Projekte des von den Vereinten Nationen ausgerufenen World Year of Physics. An der Testphase beteiligten sich besonders viele deutsche PC Nutzer -- sie stellten weltweit nach den Amerikanern die zweitgrößte Gruppe. Seit dem 19. Februar 2005 ist die Testphase beendet und die Anmeldung steht nun jedermann offen.

Die Idee zu Einstein@Home entstand, als wir mit unseren amerikanischen Partnern über die riesigen Datenmengen diskutierten, die GEO600 und LIGO produzieren würden. Uns war klar

Kein Großrechner könnte die enormen Datenmengen ausreichend schnell bewältigen und analysieren, viele einzelne Computer zusammen hingegen können es schaffen. Mit Einstein@Home haben wir eine Lösung gefunden, die sich bereits bewährt hat. Mir gefällt daran besonders, dass interessierte Laien sich in das Projekt einklinken und an vorderster Front der Forschung dabei sein können. Vielleicht können wir so etwas von der ungeheuren Faszination vermitteln, die uns täglich antreibt. Und wer weiß, vielleicht werden auf einem privaten PC die entscheidenden Daten ermittelt.

Unermüdlich an der Verwirklichung von Einstein@Home gearbeitet hat Prof. Bruce Allen. Er forscht sowohl am AEI als auch an der Universität Wisconsin -- Milwaukee (UWM), USA und fasst die wohl wesentlichen Aspekte seiner Arbeit so zusammen:

Gravitationswellen existieren von Beginn an unverändert in unserem Universum, das macht sie so unglaublich aufregend. Aber sie verbergen sich im kosmischen Rauschen wie die Nadel im Heuhaufen, das macht die Suche nach ihnen etwas schwierig. Wir suchen zunächst vor allem nach Signalen aus extrem dichten, schnell rotierenden Sternen, den Neutronensternen bzw. Pulsaren. Gerade sie senden besonders charakteristische Gravitationswellen aus.

So geht das Mitsuchen nach den Kräuseln der Raumzeit

Nach der Anmeldung des heimischen PC bei Einstein@Home werden automatisch die technischen Voraussetzungen, beispielsweise das Vorhandensein von genügend freien Speicherkapazitäten geprüft. Gibt es "grünes Licht" werden kleine Datenpakete vom Einstein@Home Server an die PC verschickt, dort in der "freien" Zeit des Rechners analysiert und das Ergebnis zurückgesendet. Dies funktioniert auch, wenn der Computer zeitweise offline ist. Das Programm wartet einfach auf die nächste Gelegenheit, um die Ergebnisse zu übermitteln. Alle Nutzer erhalten eine Rückmeldung über ihren Beitrag zum Erfolg des Projektes und können so -- auch im Team -- Punkte sammeln und mit anderen Teams wetteifern.

Seine Aktivität signalisiert das entsprechende Rechenprogramm durch einen Bildschirmschoner, der unsere Himmelskarte auf besondere Art und Weise zeigt: Bekannte Sternbilder werden aus der Weite des Weltraums dargestellt. Markiert sind die Bereiche des Universums, deren Daten im Computer gerade bearbeitet werden. Wie beim Einsatz von Bildschirmschonern üblich, bestimmt dabei der Nutzer selbst, wann sich das Programm zuschalten darf.

Aus Sicherheits- und Kontrollgründen wird jedes Rechenpaket dreimal gerechnet. Bei seiner Rücksendung erhält es eine Kennung, so dass die Computer, die Gravitationswellen nachgewiesen haben, zu identifizieren sind. Computerfreaks können Teams bilden und so mehr Credits sammeln. Das Einstein@Home-Programm ist für Linux-, Microsoft- und Mac-Computer verfügbar.

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