Das Softwarevermächtnis der Planck-Mission

24. März 2015

Die Planck-Mission zur Vermessung des kosmischen Mikrowellenhintergrundes (CMB) brachte nicht nur unser Verständnis des Universums einen großen Schritt weiter, sie erschuf auch eine Reihe fortschrittlicher Softwaresysteme. Drei miteinander zusammenhängende Software-Pakete, die am Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPA) speziell für die Planck-Mission entwickelt wurden, sind jetzt für den Einsatz in weiteren Projekten öffentlich zugänglich: das Basis-Simulationspaket, welches Daten aus künstlichen Himmelsbeobachtungen mit Planck und anderen CMB-Experimenten erzeugen kann, das "ProC" Workflow-System, um Arbeitsabläufe zur wissenschaftlichen Datenanalyse zu planen und durchzuführen, sowie die Datenverwaltungskomponente "DMC", um die Ergebnisse der komplexen Prozesse in Datenbanken zu sichern.

Die Analyse der Planck-Daten ist eine anspruchsvolle Aufgabe. Das Teleskop beobachtete den gesamten Himmel kontinuierlich für mehrere Jahre und erstellte Himmelskarten in neun Frequenzen. Um die große Zahl von Einzelbeobachtungen in Gesamtkarten des Himmels zu konvertieren, müssen die Rohdaten der Detektoren überprüft und kalibriert werden. Aus diesen werden dann die Himmelskarten für die neun Frequenzkanäle von Planck zusammengesetzt; anschließend werden die Karten sowohl auf astrophysikalische Vordergrundsignale als auch auf ihren kosmologischen Informationsgehalt hin analysiert. Darüber hinaus muss diese komplexe wissenschaftliche Datenanalyse mit simulierten Daten überprüft werden, die die relevanten kosmologischen, astrophysikalischen und Instrumentaleffekte berück­sichtigen.

Abb.1: Die ProC Workflow-Engine automatisiert regel­mäßig auszuführende Arbeitsabläufe auf einzelnen Computern bis hin zu hoch parallelisierten Rechen­zentren. Im Zusammenspiel mit der Daten Management Komponente werden Änderungen an Daten automatisch dokumentiert und somit nachverfolgbar.

Um diese komplexen Prozesse zu unterstützen, entwickelte die Planck-Software-Gruppe am MPA wesentliche Teile der Software-Infrastruktur für Planck, insbesondere ein Simulationspaket, ein Workflow-System und ein Datenbankmanagmentsystem samt Benutzerinterface. Auch wenn diese Software-Pakete speziell für die Anforderungen des Planck-Projektes entwickelt wurden, können sie sich für einen größeren Anwenderkreis als nützlich erweisen, da sie generische Aufgaben der Datenanalyse in Daten-getriebenen Forschungsbereichen erleichtern.

Das ProC Paket für Workflows hat viele Anwendungsmöglichkeiten. Es besteht aus einer grafischen Benutzerschnittstelle, um komplexe Arbeitsabläufe bei der Datenverarbeitung aus einem vorgegebenen Satz von Computerprogrammen zu konstruieren, sowie der eigentlichen ProC-Workflow-Engine um diese Arbeitsabläufe dann tatsächlich auf einem Computer-Cluster oder Grid auszuführen. Es wird von der Datenverwaltungskomponente ergänzt, um die endgültigen Daten-Produkte sowie auch Zwischenergebnisse abzulegen. Der Benutzer kann zum Beispiel angeben, dass nur die Daten-Produkte, die durch eine Änderung der Eingangsdaten betroffen sind, selektiv aktualisiert werden, ohne unnötige doppelte Berechnungen auszuführen. Da sie sehr flexibel ist, erfüllt die ProC-Suite grundlegende Bedürfnisse von Datenzentren, die ihre Berechnungen im Laufe der Entwicklung eines Projekts in modifizierter Weise wiederholt ausführen müssen.

Abb.2: Der graphische Editor erlaubt die einfache Definition von komplexen Arbeitsabläufen. Das Design unterstützt dabei auch Schleifen, bedingte Abfragen und die Verschachtelung von Abläufen. Desweiteren können hier die Parameter der einzelnen beteiligten Programme definiert werden.

Das Planck-Simulationspaket startet mit einem vom Benutzer vor­gegebenen kosmologischen Modell und berechnet daraus einen möglichen „CMB-Himmel“ einschließlich astrophysikalischer Vorder­gründe, und führt dann eine simulierte Beobachtung dieses Himmels durch. Diese Simulation umfasst viele Instrumentaleffekte wie z.B. die Faltung des Sichtstrahls und Rauschen. Alternativ kann das Paket die Beobachtung eines vorgegebenen Himmelsmodell simulieren, das von einem anderen Programm erzeugt wurde (wie z.B. durch die Planck Sky Model software). Das Planck-Simulationspaket ist sehr flexibel und konfigurierbar. Es sorgt nicht nur für Planck-ähnliche Daten, sondern kann auch leicht angepasst werden, um die Eigenschaften von anderen existierenden und zukünftigen CMB-Experimenten zu imitieren. Daher ist es ein wertvolles und generisches Werkzeug für die Erforschung des kosmischen Mikrowellenhintergrundes.

Abb.3: Die Daten Management Komponente (DMC) ermöglicht den Zugriff auf produzierte Daten, ohne das Kenntnisse der dahinterstehenden Datenbank nötig sind. Ebenfalls können hier Daten visualisiert und exportiert werden, sowie die Entstehungsgeschichte eines Daten-Produkts eingesehen werden.

Die Planck-Softwareentwicklung am MPA wurde von der deutschen Raumfahrtbehörde DLR im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie, sowie durch die Max-Planck-Gesellschaft finanziert. Diese Entwicklung wurde bis 2003 von Matthias Bartelmann geleitet, seitdem liegt die Leitung bei Torsten Enßlin.

Planck ist ein Projekt der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) mit Instrumenten von zwei wissenschaftlichen Konsortien, die von den ESA-Mitgliedstaaten finanziert und von Principal Investigators aus Frankreich und Italien geleitet werden. Die Teleskop-Reflektoren wurden durch eine Kooperation bestehend aus der ESA, einem wissenschaftlichen Konsortium geführt und finanziert von Dänemark, und zusätzlichen Beiträgen der NASA (USA) zur Verfügung gestellt.

Torsten Enßlin

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