애스트로펄스(Astropulse)는 원시 블랙홀, 펄사, 그리고 외계 지성체(ETI)를 탐색하기 위한 자원 봉사 컴퓨팅 프로젝트이다. 자원 봉사자들의 자원은 BOINC(Berkeley Open Infrastructure for Network Computing) 플랫폼을 통해 활용된다. 1999년, 우주과학연구소(Space Sciences Laboratory)는 전 세계 데스크톱 컴퓨터 네트워크를 활용하여 대규모 병렬 계산을 수행하는 SETI@home을 시작했다. SETI@home은 아레시보전파망원경에서 기록된 데이터를 활용하여, 외계 기술의 존재를 암시하는 우주로부터의 좁은 대역폭 전파 신호를 탐색한다. 곧 이 동일한 데이터가 천문학 및 물리학 커뮤니티에 가치 있는 다른 신호를 찾기 위해 정밀 조사될 수 있다는 사실이 인식되었다.
개발
약 6년 동안 애스트로펄스는 일반 커뮤니티에서 사용할 수 없는 실험적인 베타 버전 테스트 단계에 있었다. 2008년 7월, 애스트로펄스가 SETI@home에 통합되면서, 방대한 SETI 참여자 네트워크가 다른 가치 있는 천문학적 신호를 찾는 데 기여할 수 있게 되었다. 애스트로펄스는 외계 지성체 탐색에도 기여한다. 첫째, 프로젝트 지지자들은 이것이 기존 SETI@home 알고리즘으로는 식별되지 않은 다른 유형의 외계 신호를 찾아낼 수 있을 것이라 믿는다. 둘째, 전체 탐색 프로젝트에서 두 번째로 구체적인 결과를 제공함으로써 SETI에 대한 추가적인 지원을 창출할 수 있을 것이라 믿는다.
애스트로펄스의 최종 개발은 두 부분으로 나뉜 노력이다. 첫 번째 단계는 목표 펄스를 성공적으로 식별할 수 있는 애스트로펄스 C++ 코어를 완성하는 것이었다. 프로그램 완성 후, 연구팀은 숨겨진 펄스가 포함된 시험 데이터 세트를 만들었고, 완성된 프로그램이 이를 성공적으로 찾아내면서 애스트로펄스 코어가 목표 펄스를 성공적으로 식별할 수 있음을 확인했다. 2008년 7월부터 연구는 베타 버전을 일련의 개선 작업을 거쳐 전체 SETI 참여자들에게 배포하는 데 집중해 왔다. 프로그래밍 수준에서 개발자들은 새로운 버전이 다양한 플랫폼과 호환되도록 보장한 다음, 개선된 버전을 더 빠른 속도로 최적화하는 데 힘쓰고 있다. 2009년 4월 기준으로, 애스트로펄스는 베타 버전 5.05를 테스트 중이다.
이 프로젝트의 미래는 SETI@home에 대한 추가적인 자금 지원에 달려 있다.
BOINC의 아이디어는 대용량 데이터를 더 작은 단위로 나누어(분할), 각각을 개별 참여 워크스테이션에 배포하는 것이다. 이를 위해 프로젝트팀은 애스트로펄스 코어를 SETI 베타 클라이언트에 포함시키고, 애스트로펄스 작업 단위로 분할된 실제 데이터를 베타 테스터 팀에게 배포하기 시작했다. 당면한 과제는 애스트로펄스 코어가 다양한 운영 체제에서 원활하게 작동하도록 보장하는 것이었다. 현재 연구는 오탐지(false positive)를 제거하거나 줄이는 알고리즘 개선사항을 구현하는 데 집중하고 있다.
과학적 연구
애스트로펄스는 단일 펄스와 주기적으로 반복되는 펄스를 모두 탐색한다. 이 실험은 더 긴 펄스나 협대역 신호와는 대조적으로 마이크로초 단위의 펄스를 가정하는 새로운 SETI 전략을 대표한다. 이들은 또한 짧은 광대역 펄스를 방출하는 펄사와 폭발하는 원시 블랙홀을 발견할 수도 있다. 애스트로펄스 알고리즘의 주요 목적은 애스트로펄스가 탐색하는 마이크로초 단위 전파 펄스의 코히어런트 역분산(coherent de-dispersion)이다. 신호의 분산은 고주파 복사가 저주파 복사보다 약간 더 빠르게 이동하기 때문에 펄스가 성간매질(ISM) 플라즈마를 통과할 때 발생한다. 따라서 신호는 지구와 펄스 발생원 사이의 성간매질 플라즈마 양에 따라 분산된 채로 전파망원경에 도달한다. 역분산 작업은 계산 집약적이므로 분산 컴퓨팅 모델에 적합하다.
애스트로펄스는 SETI@home의 분산 컴퓨팅 능력을 활용하여 수십만 대의 자원 봉사자 컴퓨터에 계산 하위 작업을 위임함으로써, 이전 탐색 조사보다 감도와 시간 분해능에서 이점을 얻는다. 광대역 펄스는 성간매질을 통과하면서 "처프(chirped)" 현상이 발생하는데, 즉 높은 주파수는 더 일찍 도착하고 낮은 주파수는 더 늦게 도착한다. 따라서 광대역 주파수 내용을 가진 펄스의 경우, 분산 현상은 신호의 외계 기원을 암시한다. 애스트로펄스는 50pc/cm3에서 800pc/cm−3 범위(마이크로초당 7000Hz ~ 400Hz의 처프 속도)의 분산 척도를 가진 펄스를 탐색하며, 이를 통해 우리 은하 내 어디서나 발생할 수 있는 근원을 탐지할 수 있게 한다.
프로젝트 지지자들은 애스트로펄스가 폭발하는 블랙홀을 탐지하거나, 이전의 어떤 조사보다 104배 더 우수한 5×10−14pc−3yr−1의 최대 비율을 확립할 수 있을 것이라 믿는다.
당면 과제
모든 전파 천문학 프로젝트는 간섭으로 인한 문제에 직면하며, 목표 신호가 약하거나 일시적인 지속 시간을 가질 경우 그 어려움은 더욱 커진다. 주기적으로 발생하며 지속 시간을 알고 있는 군사 레이더 노이즈는 전파망원경 소스에서 "블랭킹(blanking)" 처리할 수 있다. 이러한 방식으로 블랭킹할 수 없는 레이더 신호를 감지하고 처리하는 알고리즘을 개발하기 위해 다양한 기법들이 문헌을 통해 연구되어 왔다.
애스트로펄스는 2008년 7월 중순부터 계산을 시작했다. 2009년 1월 기준으로, 그 결과는 다양한 방식으로 사용되었다. 자원 봉사자들의 도움을 받은 개발진은 클라이언트가 광범위한 운영 체제에서 효과적으로 작동하도록 보장하기 위해 노력해 왔다. 코드 개선과 최적화를 통해 로컬 워크스테이션에서의 계산 시간을 줄였다. 결과는 간섭이나 무작위 배경 노이즈로 인해 발생할 수 있는 오탐지를 줄이기 위해 알고리즘을 조정하는 데 분석되었다. 현재까지 목표 신호는 아직 발견되지 않았다.
애스트로펄스의 한 가지 목표는 "호킹 복사"로 인해 증발하고 있을지도 모르는 가설상의 미니 블랙홀을 탐지하는 것이다. 이러한 미니 블랙홀은 현재 알려진 블랙홀과는 달리 빅뱅 당시에 생성되었을 것으로 추정된다. 애스트로펄스 프로젝트는 이 증발 과정에서 발생하는 전파를 애스트로펄스가 탐지할 수 있기를 기대한다. 증발이 직접적으로 전파를 생성하는 것은 아니다. 대신, 고에너지 감마선과 입자로 구성된 팽창하는 화염구를 생성할 것이다. 이 화염구는 주변 자기장과 상호작용하여 이를 밀어내고 전파를 생성하게 된다.
회전 무선 과도 현상(RRATs)은 2006년 영국 맨체스터 대학교의 조드럴 뱅크 천문대에서 모라 맥로플린(Maura McLaughlin)이 이끄는 팀에 의해 발견된 중성자별의 한 유형이다. RRAT는 그 일시적인 특성 때문에 위치를 파악하기 매우 어려운 전파를 방출하는 것으로 생각된다. 초기 노력으로 하루에 1초 미만 동안 전파 방출(때로는 RRAT 섬광이라 불림)을 감지할 수 있었으며, 다른 단일 버스트 신호와 마찬가지로 이를 지상 전파 간섭과 구별하기 위해 세심한 주의가 필요하다. 따라서 분산 컴퓨팅과 애스트로펄스 알고리즘은 RRAT의 추가적인 탐지에 적합할 수 있다.
아카이브 데이터에서 외계 기원으로 보이는 펄스들이 관측되었다. 매일 수백 개의 유사한 사건이 발생할 수 있으며, 이를 탐지할 경우 우주론적 탐사 도구로 사용될 수 있다는 의견이 제시되었다. 애스트로펄스-SETI@home과 같은 전파 펄사 탐사는 밀리초 지속 시간을 가진 충격적 버스트 사건을 위해 전파 하늘을 모니터링할 수 있는 몇 안 되는 기회 중 하나를 제공한다. 관측된 현상의 고립된 특성 때문에 그 근원의 성격은 여전히 추측에 머물러 있다. 블랙홀-중성자별 충돌, 중성자별-중성자별 충돌, 블랙홀-블랙홀 충돌 또는 아직 고려되지 않은 어떤 현상 등이 가능성으로 거론된다.
그러나 2010년 파크스 천문대에서 보고된 16개의 유사한 펄스가 명백히 지상에서 기원했다는 새로운 보고가 있었다.
이전의 SETI@home 탐색은 우리 자신의 라디오 방송국과 유사한 협대역 신호 형태의 외계 통신을 찾아왔다. 애스트로펄스 프로젝트는 외계인이 어떻게 통신할지 아무것도 모르기 때문에 이것이 다소 편협할 수 있다고 주장한다. 따라서 애스트로펄스 조사는 물리적 현상 탐색의 부산물로서 협대역 SETI@home 조사를 보완하는 것으로 간주될 수 있다.
우주에서 오는 RF 복사는 벨 전화 연구소에서 벨 연구소를 위한 뇌우로부터의 무선주파수 간섭을 연구하던 무선 엔지니어 칼 잰스키(1905–1950)에 의해 처음 발견되었다. 그는 "알 수 없는 기원의 지속적인 쉿 소리 형태의 정적"을 발견했으며, 결국 이것이 외계 기원임을 결론지었다. 펄사(회전하는 중성자별)와 퀘이사(극도로 먼 은하의 밀집된 중심핵)는 모두 전파 천문학자들에 의해 발견되었다. 2003년 파크스전파망원경을 사용하는 천문학자들은 서로를 공전하는 두 개의 펄사를 발견했는데, 이는 알려진 최초의 그러한 시스템이었다. 최근 발견된 강력한 버스트 전파원을 설명하며 NRL 천문학자 조셉 라지오 박사는 다음과 같이 진술했다: "놀랍게도, 하늘이 X선 및 감마선 파장에서 방출하는 과도 현상 물체로 가득 차 있다는 것이 알려져 있음에도 불구하고, 천문학적 물체들이 생성하기 더 쉬운 경우가 많은 전파 버스트를 찾기 위한 노력은 거의 이루어지지 않았습니다." 코히어런트 역분산 알고리즘과 SETI 네트워크에서 제공하는 컴퓨팅 파워를 사용하면 이전에 발견되지 않은 현상을 발견할 수 있을 것이다.
학교에서의 천문학
애스트로펄스와 그 이전 파트너인 SETI@home은 중등 과학 교사들이 학생들을 천문학 및 컴퓨팅에 참여시킬 수 있는 구체적인 방법을 제공한다. 여러 학교에서 자원 봉사 컴퓨팅 수업 프로젝트를 운영하고 있다.
