I del 1
av denna artikelserie så berättade vi om Frank Drake’s formel.
Formeln som ligger till basis för teorier om att vi inte är ensamma
i universum och vilka chanserna är att finna annat intelligent liv ute
i universum. I denna del, 2, så kommer vi att försöka beskriva
för er vad sjävla Seti@home projektet är och vad programmet
gör från dess data paketet (så kallade Work Units eller WU’s
som de kallar dem) kommer till din dator, tills dess resultatet skickas tillbaka
till Berkeley servern. Vi förstår givetvis att intresset för
sådana här tekniska bitar är delat, och därtill så
går denna artikelserie också in ganska djupt i matematik och fysik
såväl som andra tekniska faktorer. Vi begär givetvis inte
att alla ni skall förstå allt in i minsta detalj utan försöka
förstå mer av helheten. För er som har ett mer tekniskt förstående
och intresse så hoppas vi att den ändå skall räcka till
i den tekniska biten också. I nästa del, 3, så kommer vi
att ta upp allt kringliggande. D v s hur datan samlas in, vad som händer
innan den kommer till oss och vad som händer efter det vi skickar tillbaka
den till Berkeley.
Det stora problemet
Som jag skrev
i förra delen så är SETI ett samlat namn för allt som
har med sökning av intelligent liv att göra. De flesta av SETI projekten
idag, även de på UC Berkeley, bygger enorma prestanda maskiner
för att analysera datan från teleskopet Arecibo (mer om det i del
3) i realtid. Tyvärr så tittar ingen av dessa monsterdatorer vidare
djupt i datapaketen för små, knappt hörbara signaler. Inte
heller söker de efter mega klassen av signaltyper. Men varför? Jo,
det skulle krävas ännu mer prestana kraft än den redan enorma
prestandan där finns i dem. Det skulle helt enkelt krävas en monsturös
jätte dator som är mycket större än de redan maffiga datorerna
de kör på. SETI projekten skulle aldrig kunna finansiera något
sådant spektakel. Det blir något de får offrai helheten..
Bättre att försöka än att låta bli. Men om de nu
istället för en stor dator använder en lite mindre dator så
skulle det bara ta längre tid. Men då skulle det bli så mycket
arkiverad data som hela tiden byggs på så det skulle inte gå
det heller. Men om det istället finns mängder av sådana små
datorer istället då? Var kan SETI teamet finna de åtskilliga
tusentals datorer som krävs för att
analysera datan som hela tiden strömmar in från Arecibo?
SETI teamet på
UC Berkeley har funnit att det finns redan tusentals datorer som kan komma
till använding. Mestadels av dem står bara och tuggar med någon
halvtaskig skrämsläckare som arbete och är absolut till ingen
nytta. Det är här SETI@home kommer in i bilden (och vi också!
:). SETI@home projektet hoppas på att få tillåtelse att
låna din/vår dator då du inte använder den och därmed
hjälpa till i sökandet efter utomjordiskt intelligent liv. Men denna
screensavern som de ger oss till handa kommer att få en bit data över
internet, analysera datan och sedan skicka tillbaka ett resultat till dem.
När du sedan behöver din dator igen så avbryts genast deras
tillfälliga lån och låter dig använda datorn precis
som du har för avsikt. Den fortsätter sedan arbetet då du
är färdig med ditt.
Detta är
ingen enkel uppgift att genomföra. Det är så mycket data att
analysera så det känns omöjligt. Eftersom datan kan delas
upp i en massa små bitar och bearbetas simultant och paralellt så
är genast hoppet uppe igen. Inga av dessa små bitar beror på
varandra. Eftersom Arecibo teleskopet endast söker på en väldigt
liten del av himmelen så är problemet genast mindre. Givetvis så
har hela himmelen utforskats under dessa år som projektet forskridit
så inget utelämnas hipp som happ. Efter de år de tittat på
hela himmelen tre gånger så hoppas vi att det finns nya teleskop,
fler experiment och nya framsteg i SETI projekten.
Vad är det vi får i en WU?
Så här ser spectrumet ut
SETI@home
projektet scannar endast 2.5Mhz data centrerat på 1420 Mhz som ni ser
ovan. Detta är fortfarande för stort spektrum för att skicka
till oss och scanna för det skulle ta väldigt lång tid på
våra datorer. Detta spektrum är då nerskruret till 256 bitar,
vilka var och en är ungefär 10kHz bred. Dessa är då mer
hanterbara i storlek och kan skickas ut till användare överallt
i världen för analys. Denna blir ungefär 0.25Mb stor (mer om
work unit’s i del 3) men med lite extra data som krävs för uppgifter
etc. så blir den ungefär 340kB stor.
SETI@home
ansluter sig endast vid överföring av data. Detta i sin tur sker
bara då en WU är färdig analyserad av screensavern och vill
skicka tillbaka resultatet för att samtidigt få en ny att bearbeta.
WU’n som du bearbeat markeras också som analyserad och du bygger på
ditt antal analyserade WU’s i databasen. Anslutningen sker ENDAST med din
tillåtelse och du kontrollerar när det skall ske. Det finns även
ett val du kan göra så den skippar att fråga dig och ansluter
till Berkeley servern direkt då den har möjligheten. Även
om du har modem så sköts det då automatiskt. Dvs den ringer
upp, skickar resultatet, mottager en ny WU och kopplar omedelbart ner sig
igen efter allt skett felfritt.
Hur ser SETI@home ut?
Så här ser screensavern ut (Klicka för större bild)
Ovan
så ser vi hur screensavern ser ut då den är i gång.
Programmet ser precis lika ut med undantag för att det finns en menyrad
med val såsom exit, förändring av användarprofil etc.
I screensavern beskrivs det mesta av processen och informationen.
I
rutan "User Info" så visastiden datorn spenderat för
att analysera data. information om användaren som kör nuvarande
WU. Här visas namnet på användaren som får credits för
det han gör, totalt antal analyserade WU’s samt den totala
I rutan "Data Info" så visas en mängd information om
den nuvarande analyserade Work Uniten. Det är viktigt för Berkeley
att veta de exakta detaljerna om datasnutten så den kan placeras korrekt
i databasen. Om en signal är funnen så kan de verifiera resultatet
genom att söka den i databasen och scanna om den mer noggrant. Det står
även precis var signalen var inspelad ifrån, eller mer noggrant
exakt var teleskopet var riktat då signalen var inspelad. På jorden
så behövs endast två koordinater för att få en
exakt plats på jorden. Det gäller också i rymden, två
koordinater för att finna en plats på himlavalvet. På himmelen
är dessa koordinater kallade "rigth ascension" (höger
stigning) och "declination" (avslag). Latituden och avslaget är
mätt precis på samma sätt, start på 0 grader vid ekvatorn
(den universella ekvatorn i detta fallet) och går vidare norr till 90
grader vid norra polen och då givetvis -90 grader vid södra polen.
Höger stigningen är lite annorlunda än longituden. Longitud
är mätt från öst till väst från Greenwich
linjen som skär Greenwich, England mitt i tu. Eftersom den är mätt
från öster till väster så kan du gå 180 grader
åt vardela håll (en cirkel är 360 grader runt om) tills dess
du träffar den motsatta internationella datumlinjen. Right ascenation
är endast mätt i en riktning nämligen höger, och är
mätt i timmar, minuter och sekunder till skillnad från grader.
Det är tjugofyra timmar hela vägen runt och eftersom varje timme
respektive minut är indelad i 60 minuter rekspekive sekunder så
är det ett väldigt smidigt mätesätt. Man kan finna precis
var datan var inspelad på himmlavalvet om man tittar på RA’n (Right
Ascenation) och Dec (Declination) på första raden och sedan leta
upp dem på en stjärnkarta.
(Klicka på bilden för större version)
Värt
att nämna är också att Arecibo teleskopet endast kan se ungefär
en tredjedel av himmlen. Teleskopet är i en fixerad position och kan
endast riktas mot något i ett väldigt snävt område genom
att förändra antennernas position. SETI@home sökningen är
begränsad till dec 0 grader till 35 grader norr.
När
tittade jag då? Den andra raden i "Data Info" beskriver när
datan var inspelad. Tiden som givs är i GMT (Greenwich Mean Time). Alla
astronomer osv använder denna tidsangivelse för att slippa feluppfattningar
emellan jordens tidszoner. Du får 107 sekunder data (mer om uppdelningen
i del 3) med mitten då denna tid sattes.
Vilket
teleskop användes vid inspelningen? På rad 3 så står
inspelningsstationen för datan. Just nu finns ju bara Arecibo Teleskopet
för dessa ändamål och därmed så kommer där
att stå Arecibo Radio Observatory.
Vilken
frekvens analyserar jag just nu? Den sista raden, 4, säger dig basfrekvensen
för datan du analyserar. SETI@home sade vi innan i artiklen, endast tittar
på ett radio spektrum 2.5Mhz brett. Därefter så delas detta
breda spektrum upp i hanterbara paket på kring 10kHz. Alltså varje
107 sekunder data för SETI@home är faktiskt 256 block data. Basfrekvensen
berättar var i 2.5Mhz spektrumet just ditt nuvarande analyserade datapaket
befinner dig.
Om
man kombinerar dessa 4 rader information så får man reda på
allt för att identifiera detta datapaket (Work Unit).
Vad
gör screensavern just nu då? I "Data Analysis" fönstret
så ser vi en hel del information om processen. På första
raden så ser vi vad som händer JUST NU. Där kan stå
lite olika saker och vi får nog ta och ta en kik på dem.
Scanning
Result Header File
När SETI@home startar upp (antingen screensavern går igång
eller du startar programmet manuellt) så måste ju programmet leta
reda på var den slutade analysera förra gången. För
att veta det så skapar programmet hela tiden en resultatfil på
din hårddisk. Sedan så startar programmet precis där det
slutade med all information och data på skärmen.
Connecting
To Server
Detta händer då programmet ansluter till SETI@home servern i Berkeley.
Recieving
Data
När du ser detta meddelandet så sänder SETI@home servern en
WU till dig. Den är ungefär 350kB i storlek vilket består
av en radioinspelning från Arecibo teleskopet samt en liten snutt data
som beskriver specifikationerna för WU’n. Denna mottagning av information
är väldigt kortvarig om du inte har mycket trafik eller har ett
slött modem. Även på ett 28.8kbaud modem så tar det
inte mer än 4 minuter i full speed.
Doing
Baseline Smoothing
När du fått en ny WU ifrån servern i Berkeley så är
signalerna i paketet huller om buller. Det intressanta är att analysera
ett litet område av frekvenser kring basfrekvensen. Dessa frekvenser
är de frekvenser som utomjordisk intelligens väntas kommunicera
med. De så kallade bredbands signalerna är signaler som oftast
kommer utav astronomiska fenomen/processer och väntas inte komma från
en intelligent civilisation. För att väck dessa så gör
screensavern något medel utav det hela vilket eliminerar bredbandsbruset
och plockar fram de mer efterfrågade frekvenserna till en baslinjefrekvens.
I dessa 107 sekunder radioinspelningar så händer det att ljudet
är starkare eller svagare. Baseline Smoothing tar allt till en och samma
nivå. Detta är det första som hånder med en WU så
du får den från servern och är oftast bara gjord en gång,
om inte något konstigt händer med din burk vill säga.
 |
| Här
ser vi en typisk bredbandssignal. Frekvensen ser du på y-axeln och tiden ser du på x-axeln. Här är flera frekvenser huller om buller . Du ser att signalen börjar svagt i vänster sida och sedan blir starkare o starkare emot mitten där den har sin topp. Detta sker under 6 sekunder. Därefter så blir den svagare o svagare nästkommande 6 sekunder. Här ser man en typisk signal då den passerar Arecibo teleskopet. Dock så söker man inte efter sådana här signaler, främst för att enkla stjärnor avger dem samt att utomjordingar inte väntas försöka kommunicera på denna typen av sätt. |
 |
| Här
ser vi istället vad som eftersöks. En bandvidd som är relativt liten och den blir starkare och svagare under en 12 sekunders period. Man vet dock inte hur liten bandbredd som väntas användas så man söker efter signaler i en hel del olika kombinationer av bandbredder. |
Här ser vi själva realtidsarbetet i screensavern, nämligen
FFT’n
Computing
Fast Fourier Transform
Här sker allt arbete. Datan som kommer från teleskopet är
en signal som varierar med tiden. I detta fallet så är tiden den
horisontella x-axeln och signalstyrkan på den vertikala y-axeln. Vad
som eftersöks är ständigt återkommande eller konstanta
toner i signalen. Egentligen så vill man istället åt en graf
med frekvensen på x-axeln och styrkan på y-axeln. En spik i denna
graf skulle då innebära en stark signal vid en specifik frekvens.
För att göra den omvandlingen så sätts en vädligt
komplicerad matematisk formel in i arbetet vilken är kallad “Fast
Fourier Transform”. Denna är knappt beskrivningsbar, vilket är
synd.
Resultatet
av denna process visas i grafen i screensavern/programmet. Det finns en hel
del intressanta saker med FFT’n. I början på varje WU så
görs 15 olika FFT’s. Var och en analyserar datan med med olika nogranhet.
Den börjar leta efter detaljer så små som 0.07 Hz breda.
Här måste man tyvärr offra en hel del av noggranhet i sådana
här analyser. För att kunna vara mer noggran i frekvenserna så
måste analysen få pågå en längre tid. I frekvensen
0.075 Hz så måste datan analyseras i 13.42 sekunders stycken.
För att då komplett analysera det 107 sekunder stora paketet så
behövs det göras 8 st sådana FFT’s. Om frekvensen därefter
reduceras till 0.15 Hz (0.075 multiplicerat med två) så behöver
man endast analysera 6.7 sekunders stycken. Dessa har då en lägre
frekvensupplösning vilket innebär ett större tidsomfång.
Eftersom styckena är är hälften så långa som de
i 0.075 Hz så behövs det hela 16 stycken FFT’s för att komplettera
en 107 sekunders inspelning. Screensavern tittar på 15 olika sådana
här frekvenser nämligen 0.075, 0.15, 0.3, 0.6, 1.2, 2.5, 5, 10,
20, 40, 75, 150, 300, 600, och 1200 Hz i analysen. För var halvering
av frekvensen så behövs det göra dubbelt så många
FFT’s för att analysera 107 sekunders datafilen.
Nå,
vilka beräkningar och analyser alltså. Vidare!
Chirping
Data
Eftersom våran jord roterar kring solen och vårat planetsystem
kretsar kring centrum av Vintergatan så kan vi ju inte begära att
en annan civilisation skall befinna sig i en helt fixerad i förhållande
till oss. Här kommer den så kallade Dopplereffekten in. Tänk
ett ånglok som kommer förbi dig med en visslande pipa. Frekvensen
och dess tillhörigheter varierar, som du då hör, med dess
rörelse emot eller ifrån dig. Här kommer den relativa hastigheten
in i spelet.
Eftersom
våra vänner inte visslar med ånglok eller tutar med bilar
emot oss för att anstifta kontakt utan istället sänder elektromagnetiska
vågor emot oss så kommer signalen bli disorienterad då båda
våra planeter befinner sig i rörelse precis som tåget eller
en tutande bil. För att kompensera detta så analyserar SETI@home
datan många gånger med många möjliga doppleraccelerationer.
Egentligen så tar SETI@home bort specifika doppleraccelerationer, det
vill säga försöker ångra dem precis som om du försöker
ångra en handling i ett program. Denna oaccelererade datan skickas sedan
vidare till FFT rutinerna. Detta är kallat “De-chirping the data”.
SETI@home försöker göra detta med många olika accelerationer
emellan -50 Hz/sek till +50 Hz/sek. Vid den finaste frekvensupplösningen,
0.075 Hz, så kollas hela 5409 accelerationer emellan -10 Hz/sek till
+10 Hz/sek.
 |
|
Här
ser vi en så kallad “chirped signal”. Eftersom planeter roterar (förhoppningsvis), både den utomjordiska sändaren och vårat teleskop förflyttar sig i cirkulära banor kring axeln av planeten ifråga. Denna rörelse visas som en ändrig i relativ hastighet under observationstiden. Här har vi då ett problem. Frekvensen kan öka eller minska under de 12 sekunders vi mottager signalen eftersom källan och vi rör oss. Sådana möjligheter undersöks givetvis också med hjälp av screensavern. |
Analysresultat
Nästa del
av data analysis panelen visar resultaten av de bästa gaussianerna, pulserna
och triplets som är funna ännu så länge. Denna panel
byter mellan de tre men bara då något resultat på dem uppkommit.
D v s. finns det inga signifikanta triplets så visas det inte heller.
Best Gaussian
Om en signal
som är ovanför det normala bruset och blir starkare och svagare
på ett symetriskt sätt då signalen passerar teleskopet så
är Seti@home genast intresserade. “Power” beskriver hur stark
signalen är relativt till basstyrkan som beräknas på raden
ovan. “Fit” beskriver i sin tur hur väl denna gaussianen passar
in i en idealisk gaussian profil. Ett lägre “fit” tal desto
bättre likhet med idealet (egentligen beskriver talet hur mycket signalen
avviker från idealet, men det innebär ändå detsamma).
Hittas något med stark signal och en bra passning så behöver
det inte betyda att det är någon som snackar med oss. Vanligt radiobrus
(inteferens från andra källor) kan ibland simulera en gaussian.
Det finns här en tröskel för hur stark den behöver vara
för att analyseras av Seti@home sjävla för verifikation. Signalen
måste vara 3.2 gånger starkare än basbruset och ha en passning
lägre än 10.
Grafen nedan
visar styrkan och dess passningstal för den bästa gaussianen som
är funnen. Sveper teleskopet för sakta eller för snapt över
himelen så visas dock ingen graf, tyvärr.
Den röda
linjen visar den aktuella signalstrykan på en given frekvens på
en tidslinje. Detta är ett urklipp på den specifika analyseringen
ur den stora animerade grejen i fönstret nedan. Den lilla upphöjningen
i kurvan visar var Seti@home just nu analyserar på det aktuella tidspannet
av data. Vid varje datapunkt så visas en ny vit linje. Du ser att den
skiftar väldigt fort. Skulle den gå saktare frammåt så
hade du sett den lilla upphöjningen svepa över datagrafen då
den analyserar den aktuella signalstyrkan.
Best Pulse
Här söks
efter veka repeterade pulser vilket kan innebära en signal. Nuffrorna
“Power” beskriver hur starka pulserna är relativt till basstyrkan.
“Period” beskriver i sin tur hur långt ifrån varandra
pulserna är i sekunder. Eftersom radiostörningar kan simulera sådant
här också så har de satt ett tröskelvärde här
med. Den är dock dynamiskt beräknad och beror på perioden
och antalet gånger signalen är repeterad (för er matteintresserade
så används funktionen som är kallad “gamma funktionen”.
De flesta som läst mycket matte känner väl till den). Score
betyder på ren svenska poäng. Score innebär bråket då
du delar pulsamplituden med tröskelvärdet. Är värdet bättre
än 1 (alltså lika med tröskelvärdet) så rapporteras
resultatet till Seti@home i Berkeley.
På
grafen nedan så visas styrka, period och scoren (poängen) under
tiden analysen pågår. Den visar även den bästa puls
som är funnen för denna work unit. Hittas ingen bra puls så
visas heller ingen graf.
Precis som på
gaussianerna så visar den röda linjen den aktuella signalstyrkan
på en given frekvens över dess tidslinje. Och till skillnad från
Gaussianen så kommer grafen säkerligen inte att kunna visa de hela
107 sekunderna data, utan istället visa en två perioder av pulsens
egen period (för att man skall kunna se lite mer än bara pulsen
själv). I grafen ovan så ser du pulserna som de två spikarna
som sticker upp från basbruset.
Best Triplet
SETI@home klienten
som du kör på din dator kommer även att göra ett test
till med pulser. Den kommer att leta efter tre pulser med lika avstånd
emellan varandra. För att göra detta så kommer den att använda
det föregående testet då den söker efter två repeterade
pulser, men bara om de passerar ett specifikt tröskelvärde. I denna
repeterade puls så söker SETI@home efter en liten vek signal mitt
emellan de två orginalpulserna. Hittar klienten något sådant
så loggas det och skickas tillbaks till SETI@home servern i Berkeley.
Är en så
kallad triplet funnen så visas styrkan relativt till basbruset och tiden
emellan dem i sekunder som en linje.
I grafen ovan
så ser du den bästa trippelsignalen som är funnen. I texten
ovanför grafen så beskrivs dess signalstyrka och dess period. De
tre pulserna som är funna är markerade med små gula streck.
Som i de två tidigare testerna så visas ingen graf om ingen bra
signal är funnen.
Här ser
vi det så kallade “Frekvens, tid och stryrka” diagrammet.
Här ser du direkt hur “Fast Fourier Transform” appliceras och
beräknas.
Frekvensen ser du på den horisontella x-axeln, styrkan visas på
den vertikala y-axeln och du ser tiden på in och ut från diagramet
i z-led (z-axeln)
Eftersom jag
tragglat det där dumma FFT så tror jag ni förstår hur
systemet är uppbyggt nu. Du kommer säkerligen tycka att den här
grafen ser annorlunga ut från gång till gång. Det beror
på de olika frekvensupplösningarna FFT:n bearbetar. I frekvensen
(du ser den i nedre högra hörnet, just i denna graf 9765.620 Hz)
0.075 Hz så kommer det bara att göras 8 st FFT’s för att täcka
de hela 107 sekunderna data som ni redan då förståss vet
🙂 Banden i grafen kommer då att bli ganska tjocka och det säger
ju i och för sig själv. I frekvensupplösningen 0.14 Hz så
kommer det att göras 16 FFT’s och banden, strecken, staplarna eller alla
dess namn kommer då att bli lite tunnare. Varje gång frekvensen
reduceras, alltså halveras, så blir det dubbelt så många
FFT’s som behöver köras. I den slutgiltliga frekvensen 1200 Hz så
blir tiden för varje FFT 0.008192 sekunder och då blir det en jädrans
massa FFT’s som måste köras för att täcka de 107 sekunderna
data. Det blir för er intresserade 131 072 FFT’s som skall klämmas
ihop på den lilla grafen. Hurvida var och en av dem visas är något
ni själva kanske kan roa er med att räkna :). Här ser vi de
relativt små pulserna men dock så kan inte frekvensen bli så
pass noggran i grafen. Färgerna i grafen har absolut ingen betydelse.
En bra signal
från kanske en utomjordisk källa kanske inte syns så väl
i denna grafen då det naturliga bakgrunsbruset (basbruset) kan störa
en hel del i grafen. Eftersom Arecibo teleskopet sveper över samma himmelplats
ungefär var tredje månad så kommer signalen deffenitivt att
bli kollad en gång till och då med andra förutsättningar
och annat bakgrundsbrus.
Med
denna artikel så hoppas vi både ni vardagliga personer och ni
extrema matematiker har fått något att fundera över. Vi hoppas
även att så många av er läsare så möjligt
förstår vad som skrivs, även om det kanske är lite väl
avancerat en del gånger.
SETI@home
fick den 7:e maj sitt 500 miljonresultat inskickat av tjejen som kallar sig
Milada och ni läser mer om det på länken.
Den 17 Maj så fyllde SETI@Home tre år och det finns miljontals
registrerade användare. Efter att vi kollat i registreringsarkiven så
ser vi att det tillkommer mer än 250 användare om dagen för
att hjälpa till i projektet. Slå er in i gruppen och sök efter
våra utomjordiska vänner.
I
nästa del så kommer vi att visa er var och hur datan spelas in.
Lite bilder och sådant kommer det att bli. Vi kommer även att ta
upp lite mer avancerad matematik gällande analysen som SETI@home klienten
gör.
Du
kan ladda ner SETI@home här.
Glöm inte att bli medlem i våran SETI@home user grupp NordicHardware.
Tills nästa gång CRUNCH TIME!
Källor:
Nätverk och Kommunikation (Nr:5 den 20 mars 2001) samt SETI@home
