Der Big BAng, große Fragen und noch größere Datenmengen

Die großen Fragen sind auch die ältesten. Wo sind wir? Wie sind wir hierher gekommen? Wohin gehen wir?

Eine neuere Frage ist eine der größten von allen: Ist das ΛCDM-Modell (Lambda-CDM, oder Lambda Cold Dark Matter) der physikalischen Kosmologie richtig in seinen drei Postulaten: 1] das Universum ist überall gleich und dehnt sich aus; 2] Linien in der Raumzeit schneiden sich nur an einem Punkt, und die Zeit entlang jeder Linie kann synchronisiert werden; und 3] die Allgemeine Relativitätstheorie korreliert die Geometrie der Raumzeit genau mit der Verteilung von Materie und Energie?

Einfach, oder?

Wissenschaftler und Ingenieure bei der Europäischen Weltraumorganisation (European Space Agency, ESA) suchen jeden Tag nach Antworten auf diese Fragen, genau wie seit ihrer Gründung im Jahr 1975. Jede Generation von Erkenntnissen weckt noch mehr Neugier.

Als die ESA 1975 gegründet wurde, war dies mehr als ein wissenschaftlicher Meilenstein - es war Europas Entscheidung, fragmentierte nationale Programme in einer einzigen Konvention zusammenzubringen und mit einer Stimme in Sachen Weltraum zu sprechen. Dieser Schritt zur Vereinheitlichung legte den Grundstein für die Errungenschaften der Organisation in den vergangenen fünf Jahrzehnten. Auf dieser Grundlage hat die ESA ein breit gefächertes Programm aufgebaut - von neuester Wissenschaft über Erkundung, Erdbeobachtung bis hin zur bemannten Raumfahrt.

So beeindruckend es auch ist, am Programm zur bemannten Raumfahrt der International Space Station (ISS) teilzunehmen, die ESA überwacht auch die unbemannte Erkundung anderer Planeten und Monde in unserer Galaxie sowie zahlreiche von Menschen geschaffene Satelliten-Arrays in der erdnahen Umlaufbahn. Insgesamt beaufsichtigt die Agency derzeit rund 20 Missionen, die alles untersuchen, von den Sonnenwinden der Erde und den sich ändernden Wettermustern in der Arktis bis hin zur Plasmaphysik (Plasma ist der ungeordnetste und allgegenwärtigste Zustand der Materie in unserem Universum) und den Folgewirkungen des Urknalls (Big Bang) vor etwa 14 Mrd. Jahren (das singuläre kosmische Ereignis bleibt die Mutter aller großen Rätsel, die der Menschheit bekannt sind).

Die Mission der ESA zur Beantwortung der ΛCDM-Frage ist nach Euclid von Alexandria benannt, dem antiken griechischen Mathematiker, der die Eigenschaften von Punkten, Linien, Ebenen und Winkeln in die traditionelle Form der Geometrie einordnete. Per Definition ist das Euclid-Weltraumteleskop darauf ausgelegt, die Geometrie von Milliarden Galaxien in bis zu 10 Milliarden Lichtjahren Entfernung zu beobachten, wobei die klassischen Eigenschaften von Punkten, Linien, Ebenen und Winkeln verwendet werden.

Abgesehen von (für die meisten von uns) knallharter Mathematik und vielen Nullen, kartieren die Daten, die die Euclid-Mission erzeugt, effektiv mehr als ein Drittel des beobachtbaren Himmels. Aber verblüffenderweise konzentriert sich die Forschung des Euclid-Teams nur auf die Beobachtung des Unsichtbaren – Schwerkraft sowie sogenannte Dunkle Energie und Dunkle Materie. Das liegt daran, dass, noch verblüffender, nur 5 % des Kosmos sichtbar sind (z. B. Atome, Licht, die übliche Starbucks-Bestellung). Die anderen 95 % des Kosmos, die sich bisher vor aller Augen versteckt haben, enthalten die Antworten, nach denen Euclid sucht.

Diese Antworten werden bald in den Daten auf NetApp Servern zu finden sein. Demnächst in einer Milchstraße in Ihrer Nähe.

Ruben Alvarez erwarb seinen MSc in Astrophysik an der Complutense University of Madrid, die 1293 gegründet wurde. Als Postgraduierten-Alumnus einer der ältesten Universitäten der Welt ist es daher passend, dass Ruben dazu beiträgt, einige der ältesten Fragen der Welt zu beantworten. Jahre später erwarb er einen Masterabschluss in IT-Management. Als Science IT infrastructure Coordinator und Cybersecurity Manager der ESA bringt Ruben sein multidisziplinäres Können an einer seltenen Schnittstelle ein. Als Wissenschaftler und Forscher in seiner frühen Karriere schlägt er heute eine Brücke zwischen der immateriellen Welt der kosmologischen Theorie und der sehr greifbaren Welt der Hard- und Software, die erforderlich ist, um die Daten zu erfassen und zu verwalten, die die großen Fragen der weltraumbasierten Wissenschaft beweisen oder widerlegen. Im Klartext: Ruben stellt die IT-Infrastruktur und Cybersicherheit bereit, die von den Science Operations Centers (SOCs) der ESA benötigt werden. Hier orchestrieren hochspezialisierte Fachleute geschickt und gleichzeitig die Anforderungen mehrerer weltraumbasierter und astronomischer Missionen.

Sie haben alle Hände voll zu tun, und kein Tag ist wie der andere. Ihre Arbeit reicht von der Kalibrierung von Onboard-Instrumenten nach dem Start bis hin zur Architektur von Storage-Umgebungen über den gesamten Datenlebenszyklus. Dies erreichen sie, indem sie rohe Weltraumdaten von mehreren Raumfahrzeugen und astronomischen Satelliten verarbeiten und analysieren. Ihre Aufgabe ist eine ständige Sorgfaltspflicht, die letztlich unser Verständnis der physischen Existenz des Universums – und unserer eigenen – prägt. Die von ESA im vergangenen halben Jahrhundert erstellten Datensätze ergeben ein Werk, das als Digital Library of the Universe anerkannt wird. Und auf einem Regal in dieser Bibliothek befindet sich ein wachsendes Datenvolumen, das eines der neuesten Bücher der Welt darstellt, das aber schon Milliarden von Jahren Geschichte geschrieben hat.

Der Euclid-Datensatz ist unser digitaler Atlas des Kosmos (Atlas of the Cosmos).

Das Euclid-Weitwinkelteleskop folgt heute einer Halo-Flugbahn um die Sonne, eine Million Meilen von dort entfernt, wo es im Juli 2023 in Cape Canaveral, Florida, startet. Euclid ist eine von der ESA geleitete Mission mit Beteiligung der NASA, darunter Infrarotdetektoren, Bodenunterstützung und US-Wissenschaftlern im Euclid Consortium. Der Start wurde mit einer Falcon 9 durchgeführt, die von SpaceX bereitgestellt wurde. Der Satellit trat etwa einen Monat später in eine stabile Umlaufbahn ein und die Wissenschaftler hielten kollektiv den Atem an. Aber die ersten Bilder von Euclid, die zur Erde zurückgesendet wurden, sind durch Lichtverschmutzung beeinträchtigt. Keine Sorge. Die Kalibrierung des Raumfahrzeugs um einige Grad nach Abstimmung zwischen dem SOC-Team in Madrid und Ingenieuren in Toulouse, Frankreich, und Turin, Italien, bringt die Dinge bald wieder in Ordnung und die Mission geht zügig weiter.

Zentrale Aufgaben der European Space Astronomy Center (ESAC) Science Operations Centers (SOCs)

• Planung von Weltraummissionen: Darunter mehr als 15 Missionen zu jedem beliebigen Zeitpunkt, die meisten dauern 5-15 Jahre
• Kalibrierung von Weltrauminstrumenten: Unterstützung der Ingenieure bei der Anpassung der Parameter von Raumfahrzeugen nach dem Start, bis eine stabile Umlaufbahn erreicht ist und die zuverlässige Datenübertragung einer Mission offiziell beginnt
• Weltraumdatenverarbeitung: Verarbeitung, Sortierung, Katalogisierung, Analyse und allgemeine Bereinigung von Daten zur Vorbereitung der ‘Veröffentlichung’ (das kann Jahre dauern)
• Weltraumdatenarchivierung: Bereitstellung und Sicherung des 24/7/365-Zugriffs auf die Library of the Universe durch 30.000 Forscher und Akademiker jederzeit und von überall aus

Euclid wird zunächst als zwei Missionen mit verwandten Zielen vorgeschlagen. Durch die Kombination dieser beiden Missionen profitiert die ESA heute davon, mit weniger mehr zu erreichen. Es ist auch ein fantastisches Beispiel dafür, wie die räumliche Verteilung der ESA uns allen zugutekommt: Mehr als 2.500 Ingenieure und Wissenschaftler in über 15 Ländern sind Teil des Euclid Scientific Consortium. Aber Euclid ist auch ein perfektes Beispiel für die Komplexität, mit der Ruben und sein Team konfrontiert sind. Viele Weltraummissionen haben einen einzigen Schwerpunkt – zum Beispiel die Untersuchung eines fernen Mondes oder die Landung auf einem Asteroiden, der in der Nähe der Erde vorbeizieht. Umgekehrt gehört die Agenda von Euclid zu den breitesten, die man sich vorstellen kann: die Untersuchung von Milliarden extragalaktischer Objekte und Sterne außerhalb der Milchstraße und das mit der vierfachen Auflösung der fortschrittlichsten bodengebundenen Teleskope der Welt.

Glücklicherweise gibt es einen Präzedenzfall.

Gerade wenn dieser Artikel im Jahr 2025 online gestellt wird, erreicht eine der bemerkenswertesten Missionen der European Space Agency ihr Lebensende, denn so wie sich die Jahreszeiten auf ihrem Heimatplaneten unweigerlich ändern, tritt die Gaia-Raumsonde unvermeidlich in die Phase der „Passivierung“ ein, bei der ihre verbleibende interne Energie (z. B. ungenutzte Batterieleistung und nicht verbrauchter Treibstoff) absichtlich aufgebraucht wird. Das Instrument tritt in eine Umlaufbahn ein, die durch ein internationales Abkommen festgelegt wurde, um keine Bedrohung für zukünftige Weltraummissionen als gefährlicher Weltraumschrott darzustellen. Mit dieser letzten Phase des Raumfahrzeugdesigns und des Missionsumfangs geht Gaia offiziell „in die Geschichtsbücher ein“. Es bedeutet auch, dass Gaia nach mehr als einem Jahrzehnt, das der Erstellung der größten und genauesten dreidimensionalen Karte der Milchstraße gewidmet war, keine aktive Stimme mehr in unserem intergalaktischen Gespräch mit dem Kosmos sein wird. Aber was für eine Stimme ist Gaia in ihrer Mission, aufzuklären und zu inspirieren, da schon gewesen!

Ruben Alvarez und NetApp, obwohl beide erdgebunden, sind metaphorisch gesehen während der gesamten Fahrt mit an Bord.

Beim Start im Jahr 2013 war Gaia für disziplinierte Forschung in verschiedenen Dimensionen der Astrometrie konzipiert: die Messung von Attributen von Sternen, Exoplaneten und ihren Nachbarn in unserer Galaxie, basierend auf ihren relativen Positionen, Größen und Farben. Es ist natürlich viel komplizierter als das, aber das Ergebnis ist ein beispielloser Katalog astronomischer Objekte: Sterne, Planeten, Kometen, Asteroiden, Quasare und mehr. Und das alles in 3D.

Zu Beginn wird erwartet, dass Gaia 100-mal mehr Daten produziert als frühere Missionen, aber selbst bei dieser astronomischen Zahl erweist sich Gaia als Überflieger. Gaia zielte nur auf 1 % der Milchstraße ab – das heißt, auf 1 Milliarde der 100 Milliarden Sterne in der Galaxie, die wir unser Zuhause nennen – und kartierte schließlich fast 2 Milliarden Himmelsobjekte und protokollierte etwa 200 TB Daten, um die sich Forscher und Akademiker eines Tages tummeln werden. (Es dauert ein paar Jahre, bis das Gaia SOC in Madrid seine Magie entfaltet, um die Missionsdaten für ein so massives Gaia-Projekt in einen brauchbaren Zustand zu bringen. Der endgültige Gaia-Katalog wird voraussichtlich bis 2030 ausgeliefert.)

Es gesellt sich zu anderen Datensätzen aus der Vergangenheit der Agency in der virtuellen Bibliothek, die sich auf 7 PiBs intelligenter Infrastruktur von NetApp befindet. Konkret setzen die SOCs in Spanien auf eine Mischung aus All-Flash-Array (AFF) und Fabric-Attached Storage (FAS). Um die niedrigsten Kosten im Datenlebenszyklus zu erreichen, nutzt Ruben FAS für etwa 90 % des wissenschaftlichen Daten-Footprints der European Space Agency.

Vorteile des NetApp AFF A150 All-Flash-Array  

• Enterprise-Performance zum Einstiegspreis 
• Niedrige Latenz und hoher Durchsatz 
• Schneller Datenzugriff und verbesserte Skalierbarkeit 
• Leistungsfähiger, zuverlässiger und energieeffizienter als andere HDDs  

Vorteile von NetApp FAS Storage  

• Niedrigste Datenlebenszykluskosten für das Tiering von kalten Daten und Cyber-Vault-Workflows 
• Effizientes Backup für schnell wachsende SAN-, NAS- und Objektdatensätze 
• Nahtlose Skalierung von Kapazität und Performance 

Roberto Prieto, Space Data Archive Software Engineer, sagt: „Unsere NetApp AFF und FAS Geräte bilden zusammen einen einzelnen Cluster, der es uns ermöglicht, in Echtzeit Daten-Volumes von einem System auf ein anderes zu migrieren.“ Der Multi-Protokoll-FAS Service bedeutet, dass die SOCs der wissenschaftlichen Gemeinschaft, der sie dienen, Network File System (NFS)-Funktionen, Zugriff auf Blockebene über iSCSI (Internet Small Computer System Interface), Fibre Channel Protocol (FCP) oder S3-Objektspeicher anbieten können. Roberto fährt fort: „NetApp ist eines der effizientesten, skalierbarsten und flexibelsten Systeme, die wir je hatten. In 20 Jahren haben wir noch nie eine einzige Datei verloren.“ 

Das Beste daran (abgesehen davon, dass es wirtschaftlich, einfach und sicher ist) ist, dass FAS leicht skalierbar ist. Und das bedeutet etwas, wenn man den Urknall untersucht. Während Gaia nach der Kartierung von fast 2 % der Sterne in der Milchstraße in die Passivierung eintritt, kartiert Euclid bereits mehr als 36 % des weiteren Kosmos. Eine Ära endet, während eine andere beginnt, und die Datenspeicherung der ESA mit NetApp sorgt dafür, dass die Daten jeder wissenschaftlichen Mission sicher gespeichert werden, mit eingebautem Vertrauen. Ruben drückt es so aus: „Ein entscheidender Punkt, um eine Mission erfolgreich zu machen, ist, dass die Dateninfrastruktur flexibel ist und die Daten agil verteilt werden können. NetApp Systeme geben uns diese Flexibilität und Agilität.“ 

Ein genauerer Blick auf die IT-Strategie der SOCs zeigt die Komplexität, die mit der Verwaltung eines buchstäblichen Informationsuniversums verbunden ist, auch wenn sein Volumen mit jeder Übertragung von weit entfernten Instrumenten zunimmt, die über unseren Köpfen sausen. Die SOCs stellen die Cyberresilienz in den Mittelpunkt, insbesondere angesichts der ‘offenen Tür’, die die Library of the Universe aufrechterhalten muss. Rubens Wachsamkeit an dieser Front kann nicht hoch genug eingeschätzt werden. Er sagt: „Wir müssen der Öffentlichkeit die Daten zur Verfügung stellen, die unsere Missionen erzeugen. Gleichzeitig müssen wir uns selbst und die Daten schützen. Es ist ein Rennen, das nie endet.“ Daten-Backups und Redundanz für die Disaster Recovery gehören ebenfalls zu seinem Aufgabenbereich. Hier wird es sehr schnell hochtechnisch, aber zu den anderen NetApp Lösungen in seinem Werkzeugkasten gehören:

• NetApp^​ Snapshot^​ für sofortige Kopien wertvoller Daten, während Anwendungen ausgeführt werden
• NetApp^​ FlexClone^​ für beschreibbare, zeitpunktgenaue Kopien von übergeordneten Volumes
• NetApp^​ ONTAP^​ FlexGroup für nahezu unbegrenzte Kapazität mit vorhersehbarer Performance mit niedriger Latenz in metadatenintensiven Workloads

All diese Technologien kommen durch NetApp^​ ONTAP^​ zusammen, dem führenden Betriebssystem für Unified Storage, das optimierte Kapazität und Performance im gesamten Ökosystem der Science Operations Centers liefert. Es ist diese nahtlose Integration und einfache Verwaltung, die Ruben hervorhebt, indem er sagt: „Wir schätzen die Zuverlässigkeit und Effizienz von NetApp. Sie haben wirklich gehalten, was sie versprochen haben.“ Er erkennt auch an, dass hinter seiner langjährigen Beziehung zu NetApp mehr steckt als nur Hardware und Software, und fährt fort: „Diese Kombination von Faktoren – die Technologie, die Menschen, der Support – all das war in den vergangenen 20+ Jahren der Schlüssel für uns.“ Es ist eine Beziehung, auf die NetApp stolz ist.

Wie das Universum selbst, dehnen sich auch die Daten aus den vielen wissenschaftlichen Missionen der Europäischen Weltraumorganisation aus und beschleunigen sich. 

• BepiColombo, eine 2018 gestartete Duo-Satellitenmission, soll 2026 in die Umlaufbahn des Merkur eintreten.
• Jupiter Icy Moons Explorer (Juice) ist auf dem besten Weg, 2031 in die Umlaufbahn des Gasriesen einzutreten.

Mehr als 15 weitere wissenschaftliche Missionen runden die Liste ab, und das ist die (buchstäblich!) astronomische Aufgabe, die Ruben und sein Team heute, morgen und in den kommenden Jahrzehnten im Namen der gesamten Menschheit weiterhin erledigen werden. Auf dem Weg dorthin werden sie von Zeit zu Zeit ein Glas erheben und wichtige Errungenschaften in der Weltraumforschung und Astronomie feiern, wenn eine Mission beginnt und eine andere endet.

Einige dieser Feierlichkeiten werden darin bestehen, die Einführung neuer Kataloge von Weltraumdaten zu bejubeln, wenn sie für die Welt veröffentlicht werden. Diese Veröffentlichungen sind besonders arbeitsreiche Zeiten für die Bibliothekare, die die Library of the Universe beaufsichtigen, denn bevor jeder neue Wissensband in die Regale gestellt wird, wird er streng mit einem eindeutigen Äquivalent des Dewey-Dezimalklassifikationssystems gekennzeichnet. Der Hauptzweck der Datenveröffentlichungen der ESA besteht darin, den wissenschaftlichen Nutzen ihrer Arbeit zu maximieren und Entdeckungen zu ermöglichen, die weit über die Ziele ihrer ursprünglichen Missionen hinausgehen, indem sie die Weltgemeinschaft die Daten analysieren lässt.

Es ist ein systematischer und wissenschaftlicher Ansatz, um die großen Fragen zu beantworten. Die, die wir alle haben, auch wenn wir noch nicht die Worte dafür gefunden haben, etwa wenn wir uns zum ersten Mal fragen: Wo sind wir? Wie sind wir hierher gekommen? Und wo gehen wir hin? Ruben sagt: „Seit ich ein Kind war, war ich immer vom Weltraum angezogen. Ich sah jede Nacht das wunderbare Schauspiel einer Nacht voller Sterne. Das ließ mich staunen ... wie fern sie waren, die Reise des Lichts von den Sternen zu meinen Augen. Deshalb bin ich glücklich mit dem, was ich tue – Zeuge des Fortschritts zu sein, den wir bei verschiedenen Missionen machen, und wie sie zu unserem Verständnis des Universums beitragen.“

Auf die Frage, ob er sich eines Tages im Weltraum sieht, erwähnt Ruben das Artemis-Projekt, eine facettenreiche Initiative zur Rückkehr von Menschen auf unseren Mond. ESA ist ein wichtiger Partner im Artemis-Programm der NASA und stellt das European Service Module und das Gateway-Modul für den Mond zur Verfügung, die jeweils eine entscheidende Rolle bei der Unterstützung von vier Astronauten während ihrer dreiwöchigen Missionen an Bord des Orion-Raumschiffs spielen. Die Missionen sollen europäische Astronauten einschließen und markieren ein neues Kapitel in Europas Erforschung des Mondes.

Als die Frage immer noch in der Luft hängt, hält Ruben inne, lächelt und sagt dann: „Ich denke, interessante Zeiten liegen vor uns. Nur 12 Menschen haben den Mond bisher betreten. Also, ja, mal sehen, was in ein paar Jahren passiert...“