Παρακολούθηση ραδιοπαλμών σε πραγματικό χρόνο με γενετικούς αλγόριθμους
Ο 21ος αιώνας έφερε ένα νέο ορόσημο στην παρατηρησιακή ραδιοαστρονομία. Οι αστρονόμοι είναι πλέον σε θέση να ανιχνεύουν ραδιοφωνικά σήματα από μια πληθώρα κοσμικών πηγών σε διάφορες κοσμολογικές κλίμακες. Πολλαπλές ανιχνεύσεις δείχνουν ότι οι περιοδικοί παλμοί ραδιοφώνου προέρχονται κυρίως από πολυάριθμα ταχέως περιστρεφόμενα αστέρια νετρονίων γνωστά ως ραδιοπάλσαρ που βρίσκονται στον Γαλαξία μας, ενώ πολύ φωτεινότεροι μεμονωμένοι παλμοί αποδίδονται σε λίγες ελάχιστα μελετημένες και πολύ πιο απομακρυσμένες γρήγορες ραδιοεκρήξεις.
Για να κατανοήσουν την προέλευση και τις ιδιότητες αυτών των παλμών, οι αστρονόμοι χρειάζονται τηλεσκόπια με τεράστια ανάλυση χρόνου και συχνότητας. Για να επιτευχθούν αυτά, οι σύγχρονες ραδιοερευνήσεις λειτουργούν πλέον σε πραγματικό χρόνο σε μεγάλους υπερυπολογιστές με μονάδες γραφικής επεξεργασίας (GPU) και επομένως χρησιμοποιούν τεράστιους ρυθμούς δεδομένων και υπολογιστική ισχύ. Ανάμεσά τους είναι η νέα έρευνα Apertif σε πραγματικό χρόνο που συνδυάζει 12 ισαπέχοντα πιάτα του ραδιοτηλεσκοπίου Westerbork Synthesis στην Ολλανδία (Εικ. 1). Και τα 12 πιάτα είναι εξοπλισμένα με τις κάμερες υψηλής ανάλυσης που μαζί παρέχουν ένα πολύ μεγάλο οπτικό πεδίο ίσο με 40 φορές το μέγεθος της Σελήνης. Ο παραγόμενος όγκος δεδομένων απαιτεί έναν υποψήφιο υπερυπολογιστή ARTS Top500 με ταχύτητα λήψης δεδομένων μεγαλύτερη από τη συνολική κίνηση διαδικτύου στην Ολλανδία.
Όπως κάθε ραδιοφωνική έρευνα, η Apertif είναι περιορισμένη στην αναζήτησή της για νέα ραδιοφωνικά φλας. Παρατηρούμενη περιοχή του ουρανού, ευαισθησία τηλεσκοπίου, φασματική ανάλυση, κατώφλι θορύβου – όλοι αυτοί οι παράγοντες καθορίζουν σε ποιο βαθμό η έρευνα θα είναι επιτυχής στην ανίχνευση νέων παλμών. Μέσα σε τέτοιους περιορισμούς, θέλει κανείς μια βέλτιστη κατανομή υπολογιστικών πόρων σε γραφικούς επεξεργαστές, έτσι ώστε όλα τα τηλεσκόπια να εκτελούν παρατηρήσεις σε πραγματικό χρόνο με τη μέγιστη δυνατότητα αναζήτησης (Εικ. 2). Ένας παραδοσιακός τρόπος για να βρείτε τέτοια βέλτιστη διαμόρφωση υπολογιστικών πόρων είναι να εκτελείτε έναν αυτόματο συντονισμό κάθε φορά που αναβαθμίζονται τα τηλεσκόπια. Μια πλήρης σάρωση όλων των πιθανών διαμορφώσεων είναι γνωστή ως αναζήτηση ωμής βίας. Η επεξεργασία δεδομένων περιλαμβάνει πολλές επακόλουθες λειτουργίες που εξαρτώνται η μία από την άλλη. Η διερεύνηση κάθε δυνατής διαμόρφωσης για όλες τις λειτουργίες μαζί με την ωμή βία θα χρειαζόταν περισσότερα από 100 δισεκατομμύρια χρόνια! Επομένως, η ωμή βία μπορεί να βελτιστοποιήσει μόνο τις διαμορφώσεις ανά μεμονωμένη λειτουργία, αλλά ακόμη και αυτό μπορεί να διαρκέσει από 10 ώρες έως 1 ημέρα.
Μια εναλλακτική ευρετική προσέγγιση που προτείνεται στην εργασία μας (προεκτύπωση arXiv εδώ) επιτρέπει μόνο την εξερεύνηση και τη βελτίωση ήδη αποτελεσματικών διαμορφώσεων, μειώνοντας έτσι σημαντικά (τουλάχιστον 5 φορές) τον χρόνο αναζήτησης και επιτρέποντας γρήγορες αναβαθμίσεις τηλεσκοπίου. Επιπλέον, βελτιστοποιεί όλες τις λειτουργίες ταυτόχρονα, και επομένως λαμβάνει επίσης υπόψη τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ ξεχωριστών λειτουργιών, απαγορεύοντας διαμορφώσεις που δεν είναι δυνατές με βάση αυτές που αποκτήθηκαν προηγουμένως. Αυτή η νέα προσέγγιση εφαρμόζει γενετικούς αλγόριθμους, έναν τύπο βελτιστοποίησης όπου επιλέγονται καλές διαμορφώσεις και αναμειγνύονται μεταξύ τους, σε μια προσπάθεια παραγωγής καλύτερων διαμορφώσεων. Το μέτρο της «καλότητας» αντιστοιχεί στη συνάρτηση φυσικής κατάστασης, στην περίπτωσή μας τον χρόνο επεξεργασίας δεδομένων. Στο τέλος, επιλέγεται μόνο η βέλτιστη διαμόρφωση (Εικ. 3).
Οι γενετικοί αλγόριθμοι βελτιώνουν συνεχώς τις αρχικά καλές λύσεις και εξερευνούν τον υπόλοιπο χώρο παραμέτρων ταυτόχρονα – ένα σημαντικό πλεονέκτημα έναντι των εξαντλητικών και άλλων τοπικών αναζητήσεων βελτιστοποίησης (π.χ. gradient descent). Είναι επίσης μια τέλεια επιλογή εάν κάποιος θέλει να βρει γρήγορα μια αρκετά καλή λύση σε έναν πολυδιάστατο χώρο παραμέτρων χωρίς μεγάλους υπολογισμούς. Τέλος, τα ευρετικά είναι ανεξάρτητα από την πλατφόρμα και, επομένως, μπορούν πάντα να μεταφερθούν σε μεγαλύτερες έρευνες.
