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Die Compute-Logistik hinter dem ersten Foto eines Schwarzen Lochs

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schwarzes-loch2Die Enthüllung eines ersten Fotos eines Schwarzen Loches ist nach dem Nachweis der Gravitationswellen sicherlich eine der größten wissenschaftlichen Leistungen der vergangenen Jahre. Nun wollen und können wir uns nicht mit den wissenschaftlichen Erkenntnissen und weiteren Implikationen als solches auseinandersetzen, haben uns aber einmal angeschaut, welcher logistische Aufwand für die Verarbeitung all der Daten getrieben wurde, bis ein solch einfach aussehendes Foto möglich wurde.

Zunächst einmal aber etwas Hintergrund: Mit Hilfe des Event Horizon Telescope wurde das Supermassive Schwarze Loch im Kern der Galaxie Messier 87 aufgenommen. Das bisher nur als M87 bezeichnete Schwarze Loch soll noch einen besser greifbaren Namen bekommen, ist 55 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt und besitzt in etwa 6,5 Milliarden Sonnenmassen. Der Schwarzschildradius dieses Schwarzen Loches beträgt etwa 20 Milliarden Kilometer. Trotz dieser gigantischen Größe ist es gar nicht so einfach, ein Foto des Objektes zu machen, denn dies wäre vergleichbar damit von Berlin aus ein Foto eines Sandkorns zu machen, welches in New York liegt.

Um die Auflösung zu erhöhen, wird für das Event Horizon Telescope nicht nur ein Teleskop verwendet, sondern ein Array aus mehreren Teleskopen. Dies wären:

  • NOEMA (Northern Extended Millimeter Array), Frankreich
  • IRAM, Spanien
  • Greenland Telescope Project, Grönland
  • ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), Chile
  • LMT (Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano), Mexiko
  • SMT (Submillimeter Telescope), USA
  • KPNO (Kitt Peak National Observatory), USA
  • CARMA (Combined Array for Research in Millimeter-wave Astronomy), USA
  • CSO (Caltech Submillimeter Observatory), USA
  • SPT (South Pole Telescope), Antarktis

All diese Teleskope mussten über den gleichen Zeitraum ihre Aufnahmen machen und dazu musste an allen Standorten das Wetter mitspielen. Alleine diese Voraussetzung zeigt schon recht gut, wie komplex die Aufgabe war.

Nun aber zum technischen Teil: Jedes der Teleskope war mit einem sogenannten Mark6-Rekorder ausgestattet. Auf diesem wurden die Daten aus dem sogenannten ROACH Digital Backend (RDBE) mit 16 GBit/s geschrieben. Das RDBE sitzt am Teleskop selbst und ist an die entsprechenden Sensoren angeschlossen.

Der Mark6-Rekorder wurde für den Transport der Daten verwendet. In einem Mark6-Rekorder befinden sich 32 Festplatten, die in vier Modulen zu jeweils acht Festplatten aufgeteilt sind. Da manche Teleskope selbst aber schon ein Array aus mehreren Antennen sind und es zudem eine gewisse Redundanz in den Daten geben sollte, wurde an jedem Standort mit mindestens 64 GBit/s aufgezeichnet und auf jeweils vier Mark6-Rekorder geschrieben. Grob überschlagen sprechen wir also von mindestens 1.280 Festplatten unbekannter Kapazität, die zusammengetragen wurden. 

Bei 64 GBit/s und einer Beobachtungszeit von fünf Tagen (in denen aber nicht an den vollen 24 Stunden eine Beobachtung stattfinden konnte, weil aufgrund der Erddrehung nicht immer alle Teleskope das Ziel ins Visier nehmen konnten), ergibt sich eine gewaltige Datenmenge, die verarbeitet werden musste. Gehen wir von grob zwölf Stunden Beobachtungszeit pro Standort aus und nehmen 64 GBit/s als Datenrate an, kommen wir auf eine Datenmenge von 1.728.000 GB oder rund 1,7 PB.

Update: Inzwischen ist die Datenmenge bekannt, die in der ersten Kampagne des Event Horizon Telescope gesammelt wurde. Insgesamt wurden 5 PB an Daten an den verschiedenen Standorten zusammengetragen.

Die Mark6-Rekorder wurden per Flugzeug und Schiff ins Max Planck Institut in Bonn und zum MIT-Haystack Observatory in Westford, Massachusetts, gebracht, um analysiert zu werden. Im Falle des South Pole Telescope musste mehrere Monate gewartet werden, bis ein Schiff die Mark6-Rekorder von der Antarktis abholen konnte. An den erwähnten Verarbeitungsstandorten wurden die Daten mittels eines DiFX-Korrelators analysiert und verarbeitet. Im Falle des Max Planck Institut findet dies auf folgender Hardware statt:

  • 68 Compute Nodes: Jeder ausgestattet mit zwei Prozessoren zu wiederum jeweils 20 CPU-Kernen
  • 1.175 TB an Festplattenspeicher
  • 56 Gbps InfiniBand Interconnect
  • 48 TB Festplattenplatz für die korrelierten Daten
  • 40 TB Backup-Festplattenplatz
  • 6 Anbindungspunkte für die Mark6-Rekorder (15 weitere für die älteren Mark5-Rekorde
  • 1 GBit/s Anbindung an das Internet

Soweit die technischen Daten zur Hardware, die verwendet wurde. Unklar ist, welche Prozessoren genau zum Einsatz kommen und wie lange es dauert, bestimmte Berechnungen im Hinblick auf das erste Bild eines Schwarzen Loches zu erhalten.

Die Angaben zur Datenaufzeichnung und zur Serverinfrastruktur, die am Ende die Verarbeitung der Daten vorgenommen hat, zeigen aber sicherlich recht deutlich, welcher enorme Aufwand hier betrieben wurde. Neben dem Schwarzen Loch in Messier 87 hat das Event Horizon Telescope noch weitere Schwarze Löcher ins Visier genommen. Die Datenauswertung zu diesen Objekten läuft aber noch. 

Aufgrund der Masse von M87 und der relativ geringen Bewegung des Objekts waren die Daten hier noch recht einfach auszuwerten. Aus dem enormen Datensatz wird es also sicherlich noch zahlreiche weitere Erkenntnisse geben.

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Kommentare (22)

#13
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Registriert seit: 27.07.2015
Hannover
Kapitänleutnant
Beiträge: 1931
Und wie viele Zeilen Code hast du dazu beigetragen? Ach, gar keine? Na dann macht es dich ja höchst qualifiziert die Leistung einer der beteiligten Wissenschaftlerinnen herunterzuspielen.
#14
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Registriert seit: 18.01.2019
Bremen
Matrose
Beiträge: 8
das sieht mir zu sehr nach Photoshop aus. irgendwie hab ich da gar kein Vertrauen bei der Geschichte
#15
Registriert seit: 26.07.2018

Obergefreiter
Beiträge: 128
So etwas in der Richtung ist es ja auch. Aufgezeichnet wurden Radiowellen, die ins (für uns) sichtbare Spektrum umgerechnet worden sind.
Ist aber üblich in der Astronomie, im sichtbaren Wellenlängenbereich kommt man oft nicht sehr weit.
#16
Registriert seit: 14.09.2009

Stabsgefreiter
Beiträge: 260
Zitat Hyrasch;26898749
Der Artikel auf Spiegel ist wieder clickbait für "Frauen in der Informatik". Sie hat 90 commits auf github für das Projekt und wird hochgelobt - drei Andere haben 177, 272 und 566, aber kein Wörtchen.
hwlux braucht auch mehr "bait"-Artikel für mehr Klickzahlen :=)))


Das ist kein Clickbait, sondern sie hat 2016 den Algorithmus entwickelt, der das überhaupt möglich gemacht hat:

"Die Forscherin am Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics im Bundesstaat Massachusetts hatte 2016 den Algorithmus mit dem Namen „Chirp“ entwickelt. Er ermöglichte es, die gigantischen Datenmengen des weltumspannenden Radioteleskopnetzwerks Event Horizon zu durchforsten und daraus ein Bild zu schaffen."

"Bouman ist als Postdoktorandin an dem Astrophysik-Zentrum an der amerikanischen Ostküste tätig. Im Herbst wird sie als Assistenzprofessorin an das California Institute of Technology (Cal Tech) in Pasadena wechseln."
https://www.faz.net/aktuell/gesellschaft/menschen/wie-katie-bouman-die-entdeckung-des-schwarzen-lochs-ermoeglichte-16137144.html

Zitat DeckStein;26898968
Übrigends, Andrew Chaew hat 850.000 der 900.000 zeilen code geschrieben aber das mädel die gerade mal 50.000 dazu beigetragen hat, kriegt alle aufmerksamkeit.


"Measuring programming progress by lines of code is like measuring aircraft building progress by weight." - Bill Gates
#17
Registriert seit: 01.12.2012

Hauptgefreiter
Beiträge: 147
Finde es traurig, was hier für eine Diskussion um die Leistung der benannten Wissenschaftlerin entfacht.
Selbstverständlich sollte ihr Beitrag nicht fälschlich überhöht dargestellt werden, "nur" weil sie eine Frau ist.

Allerdings haben Frauen es insbesondere in der akademischen Welt der Physik-Forschung extrem schwer, Fuß zu fassen.
Dass Fr. Bouman also überhaupt einen signifikanten Teil dazu beigetragen konnte ist ein Erfolg, den es auszuschlachten lohnt.
Weibliche Role Models in der Wissenschaft werden so lange gebraucht, bis der Anteil der Frauen insbesondere im MINT-Bereich wieder einigermaßen paritätisch ist.

Fr. Bouman betont auch selber, dass die Umsetzung eine Teamarbeit gewesen sei und beansprucht ganz und gar nicht den gesamten Erfolg für sich.
Dass sie den Algorithmus entwickelt hat heißt eben auch nicht, dass sie die Umsetzung in Code ganz oder größtenteils selbst gemacht hat.
Da ist jede Menge komplexe Arbeit schon im Voraus notwendig, die sich nicht im repo zeigt.

Besides: Wenn über wissenschaftliche Durchbrüche, insbesondere im Zusammenhang mit Auszeichnungen berichtet wird, ist meistens die Rede von ein, zwei Namen.
Das sind aber immer nur die Teamleiter, da steht immer ein ganzes Team dahinter. Wird selten so auseinander genommen.
Wenn es eine Frau ist und betont wird wie schön es ist, dass eine Frau so einen wichtigen wissenschaftlichen Beitrag leisten konnte - dann wird wieder gezankt.

tl;dr: Lasst doch bitte diese Diskussion über eine evtl. verzerrte Berichterstattung. Ihr wisst genau so wenig wie ich, wie hoch ihr Beitrag tatsächlich war. Entweder ihr glaubt der dpa, oder eben nicht. Aber rational argumentieren können wir da nicht wirklich drüber.

LG
rmg
#18
Registriert seit: 05.10.2006

Obergefreiter
Beiträge: 110
Das Bild hier ist ein zusammengerechnetes aus den Radiowellen. Anders geht es auch gar nicht. Es entspricht allerdings einem Foto, die Farben werden aus Helligkeitswerten berechnet. Das hat rein gar nichts mit Photoshop oder dergleichen zu tun. Die Schwarze Fläche auf den Foto ist übrigens nicht der Komplette Ereignisshorizont des Schwarzen Loches, der ist ca 2,5x klein als diese. Was wir dort sehen ist ein Schatten des Schwarzen Loches, das sichtbare Licht wird vom Schwarzen Loch weit vorher eingefangen, die Auswirkungen der Relativitätstheorie. Es ist die Starke Raumzeitkrümmung, dass das Schwarze Loch größer aussieht als es in Wirklichkeit ist. Das sieht man auch an den Schatten der nicht rund ist, alle Berechnungen die das vorhergesagt haben, haben sich hier mit den Foto bewahrheitet.

Hier ein Video für einen Größenvergleich der Schwarzen Löcher, dort sieht man wie klein unser Schwarzes Loch in der Milchstraße Sagitarius A* ist, im Vergleich zu den Schwarzen Loch von M87. Aber Selbst dieses ist klein im vergleich zu TON 618.

https://www.youtube.com/watch?v=FBchtofZJSM
#19
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Registriert seit: 13.11.2015

Flottillenadmiral
Beiträge: 4446
Zitat DeckStein;26898968
Übrigends, Andrew Chaew hat 850.000 der 900.000 zeilen code geschrieben aber das mädel die gerade mal 50.000 dazu beigetragen hat, kriegt alle aufmerksamkeit.


Der Großteil der 900k Zeilen sind Datenbanken und Messwerte. Der gute Herr Chael mag viel beigetragen haben, aber nie im Leben hat irgendwer in diesem Projekt 850k Zeilen geschrieben (Faustregel: ein durchschnittlicher Entwickler schafft effektiv 100 LOC pro Arbeitstag ;), das wären bei 850k LOC ca 23 Jahre). Die Statistik, die du hier nennst, stammt vom Github Tracker, welcher u.A. auch Mediendateien und große Messwerttabellen nach Zeilen zählt. Das "Mädel", das die Aufmerksamkeit bekommt, hat die Hauptarbeit am zugrundliegenden Algorithmus getan, deshalb wird sie repräsentativ für das gesamte Projekt ins Scheinwerferlicht gestellt. Es gibt von ihr 3 (?) Arbeiten sowie einen TED Talk dazu.
#20
Registriert seit: 16.02.2017
Dort wo ich mich wohl fühle!
Korvettenkapitän
Beiträge: 2351
Hauptsache andere Menschen und deren Leistung schlecht reden, sehr tugendhaft. Einfach traurig.
#21
Registriert seit: 05.10.2006

Obergefreiter
Beiträge: 110
Zitat tonythebuilder;26898786

Wird es vorerst nicht geben. Da zu viele geladenen Teilchen sich darum befinden. Das ist wie Nebel mit 50 m Sichtweite.


Das Milchstraßenzentrum ist eines der Ziele des EHT, einfach noch ein wenig warten. :) Obwohl Sagitarius A* 2000 mal näher ist als M87, ist das Schwarze Loch ca 6000 mal kleiner. Der Schwarzschildradius ist proportional zur Masse, 6Mrd Sonnenmassen in M87, aber Sagitarius A* hat nur 1Mio Sonnenmassen in der Milchstraße, somit ist das Schwarze Loch in M87 besser aufzulösen.
#22
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Registriert seit: 14.12.2008
Birmingham
Vizeadmiral
Beiträge: 6304
Deckstein ist halt so. Manchmal lustig, oft dämlich. Immer provozierend.
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