El Big Bang: Grandes datos para grandes preguntas

Las grandes preguntas son también las más antiguas: ¿Quiénes somos? ¿De dónde venimos? ¿A dónde vamos?

Pero recientemente, ha surgido una pregunta que ha tomado mayor relevancia: ¿es correcto el modelo ΛCDM (Lambda-CDM, o Lambda de materia oscura fría) de la cosmología física en sus tres postulados: 1] el universo es el mismo en todas partes y se está expandiendo; 2] las líneas en el espacio-tiempo se cruzan en un solo punto, y el tiempo a lo largo de cada línea puede sincronizarse; y, 3] la relatividad general correlaciona con precisión la geometría del espacio-tiempo con la distribución de materia y energía?

Qué fácil, ¿verdad?

Los científicos e ingenieros de la Agencia Espacial Europea (ESA) buscan respuestas a estas preguntas cada día, tal y como lo han hecho desde su fundación en 1975. Cada generación de descubrimientos inspira aún más curiosidad.

Cuando se creó la ESA en 1975, fue más que un hito científico: representó la decisión de Europa de unificar sus programas nacionales, fragmentados entre sí, bajo un convenio único y hablar con una sola voz en el ámbito espacial. Este paso unificador sentó las bases de los logros de la agencia durante las últimas cinco décadas. A partir de estas bases, la ESA ha desarrollado un programa integral que abarca desde la ciencia de vanguardia hasta la exploración, la observación de la Tierra y los vuelos espaciales tripulados.

Si bien participar en el programa de vuelos espaciales tripulados de la Estación Espacial Internacional (EEI) es impresionante, la ESA también gestiona la exploración no tripulada de otros planetas y lunas de nuestra galaxia, así como numerosos conjuntos de satélites artificiales en órbita cercana a la Tierra. En total, la agencia supervisa actualmente unas 20 misiones, que estudian desde los vientos solares de la Tierra y los cambios en los patrones climáticos del Ártico, hasta la física del plasma (el plasma es el estado de la materia más desordenado y omnipresente en nuestro universo) y las consecuencias del Big Bang, ocurrido hace unos 14.000 millones de años (este singular evento cósmico sigue siendo el origen de todos los grandes misterios conocidos por la humanidad).

La misión de la ESA para resolver la pregunta ΛCDM recibe su nombre de Euclides de Alejandría, el antiguo matemático griego que organizó las propiedades de puntos, líneas, planos y ángulos en la geometría tradicional. Por definición, el telescopio espacial Euclid está diseñado para observar la geometría de miles de millones de galaxias hasta una distancia de 10 mil millones de años luz, utilizando las propiedades clásicas de puntos, líneas, planos y ángulos.

Dejando a un lado las matemáticas (para la mayoría de nosotros) complejas y la gran cantidad de ceros, los datos que genera la misión Euclid mapean efectivamente más de un tercio del cielo observable. Pero, sorprendentemente, la investigación del equipo Euclid se centra en observar únicamente lo invisible: la gravedad y la llamada energía oscura y materia oscura. Esto se debe a que, aún más sorprendente, solo el 5 % del cosmos es visible (por ejemplo, los átomos, la luz, tu pedido habitual en Starbucks). El otro 95 % del cosmos, oculto a plena vista hasta ahora, contiene las respuestas que busca Euclid.

Esas respuestas pronto se encontrarán en los datos de los servidores de NetApp. Próximamente en una Vía Láctea cerca de ti.

Rubén Álvarez obtuvo su máster en Astrofísica en la Universidad Complutense de Madrid, fundada en 1293. Como posgraduado de una de las universidades más antiguas del mundo, resulta lógico que Rubén contribuya a responder algunas de las preguntas más antiguas de la astronomía. Años después, realizó un máster en gestión de TI. Como coordinador de infraestructura de TI científica y responsable de ciberseguridad de la ESA, Rubén aplica su experiencia multidisciplinar en una encrucijada poco común. Científico e investigador al inicio de su carrera, ahora conecta el mundo intangible de la teoría cosmológica con el mundo tangible del hardware y el software necesarios para capturar y gestionar los datos que demuestran o refutan las grandes preguntas de la ciencia espacial. En resumen, Rubén proporciona la infraestructura de TI y la ciberseguridad que necesitan los Centros de Operaciones Científicas (SOC) de la ESA. Es aquí donde profesionales altamente especializados coordinan con destreza y simultáneamente las demandas de múltiples misiones espaciales y astronómicas.

Tienen muchísimo trabajo y cada día es diferente. Su labor abarca desde la calibración de los instrumentos a bordo tras el lanzamiento hasta el diseño de entornos de almacenamiento a lo largo del ciclo de vida de los datos. Esto se logra procesando y analizando datos espaciales sin procesar procedentes de múltiples naves espaciales y satélites astronómicos. Su deber de cuidado es constante y, en última instancia, da forma a nuestra comprensión de la existencia física del universo y de la nuestra propia. Los conjuntos de datos creados por la ESA durante el último medio siglo conforman un valioso volumen de trabajo reconocido como la Biblioteca Digital del Universo. Y en una estantería de esa biblioteca se encuentra un creciente volumen de datos que representa uno de los libros más recientes del mundo, escrito a lo largo de miles de millones de años.

El conjunto de datos Euclid es nuestro Atlas Digital del Cosmos.

El telescopio gran angular Euclid sigue hoy una trayectoria de halo alrededor del Sol, a un millón de millas de su punto de lanzamiento en Cabo Cañaveral, Florida, en julio de 2023. Euclid es una misión liderada por la ESA con contribuciones de la NASA, incluyendo detectores infrarrojos, apoyo terrestre y científicos estadounidenses del Consorcio Euclid. El lanzamiento se realizó con un cohete Falcon 9 proporcionado por SpaceX. El satélite entró en órbita estable aproximadamente un mes después, y los científicos contuvieron la respiración. Sin embargo, las primeras imágenes de Euclid transmitidas a la Tierra se vieron afectadas por la contaminación lumínica. Pero no hay de qué preocuparse. La calibración de la nave, realizada con unos pocos grados tras la coordinación entre el equipo del Centro de Operaciones Espaciales (SOC) en Madrid y los ingenieros en Toulouse, Francia, y Turín, Italia, corrige rápidamente el problema, y ​​la misión continúa a buen ritmo.

Principales responsabilidades de los SOC del European Space Astronomy Center (ESAC)

• Planificación de misiones espaciales: incluye más de 15 misiones simultáneas, la mayoría con una duración de 5 a 15 años.
• Calibración de instrumentos espaciales: asistencia a los ingenieros en el ajuste de los parámetros de la nave espacial tras el lanzamiento hasta alcanzar una órbita estable y comenzar oficialmente la transmisión fiable de datos de la misión.
• Procesamiento de datos espaciales: procesamiento, clasificación, catalogación, análisis y limpieza de datos para su publicación (un proceso que puede durar años).
• Archivado de datos espaciales: garantizando el acceso ininterrumpido a la Biblioteca del Universo para 30 000 investigadores y académicos, en cualquier momento y desde cualquier lugar.

Euclid se propuso inicialmente como dos misiones con objetivos complementarios. Al combinarlas, la ESA hoy obtiene los beneficios de lograr más con menos. Es también un ejemplo fantástico de cómo la naturaleza distribuida de la ESA nos beneficia a todos: más de 2500 ingenieros y científicos de más de 15 países forman parte del Consorcio Científico Euclid. Pero Euclid es también un ejemplo perfecto de la complejidad a la que se enfrentan Rubén y su equipo. Muchas misiones espaciales tienen un enfoque singular: estudiar una luna distante, por ejemplo, o aterrizar en un asteroide que transita cerca de la Tierra. En cambio, la agenda de Euclid es una de las más amplias imaginables: investigar miles de millones de objetos extragalácticos y estrellas fuera de la Vía Láctea, con una resolución cuatro veces superior a la de los telescopios terrestres más avanzados del mundo.

Afortunadamente, existe un precedente.

Aunque este artículo se publique en línea en 2025, una de las misiones más destacadas de la Agencia Espacial Europea llega al final de su vida útil. Con el inevitable cambio de estaciones en su planeta natal, la nave espacial Gaia entra en fase de pasivación, momento en el que su energía interna restante (por ejemplo, la energía de la batería y el combustible no utilizado) se agota intencionadamente. El instrumento entra en una órbita determinada por acuerdo internacional para que no represente una amenaza para futuras misiones espaciales como basura espacial peligrosa. Esta etapa final del diseño de la nave y del alcance de la misión designa oficialmente a Gaia como un hito histórico. También significa que, tras más de una década dedicada a crear el mapa tridimensional más grande y preciso de la Vía Láctea, Gaia dejará de ser una voz activa en nuestro diálogo intergaláctico con el cosmos. Pero ¡qué voz tan poderosa demostró ser Gaia en su misión de iluminar e inspirar!

Rubén Álvarez y NetApp, aunque ambos se encuentran en la Tierra, participan activamente en todo el proceso.

Cuando se lanzó en 2013, Gaia se diseñó para el estudio riguroso de diversas dimensiones de la astrometría: la medición de atributos de estrellas, exoplanetas y sus vecinos en nuestra galaxia, basándose en sus posiciones relativas, tamaños y colores. Por supuesto, es mucho más complejo que esto, pero el resultado es un catálogo sin precedentes de objetos astronómicos: estrellas, planetas, cometas, asteroides, cuásares y más. Y todo en 3D.

En su lanzamiento, se esperaba que Gaia produjera 100 veces más datos que las misiones anteriores, pero incluso con esas expectativas tan elevadas, Gaia demostró ser un éxito rotundo. Con el objetivo de estudiar tan solo el 1% de la Vía Láctea —es decir, mil millones de las cien mil millones de estrellas de nuestra galaxia—, Gaia logró cartografiar casi dos mil millones de objetos celestes y registrar unos 200 TB de datos que investigadores y académicos podrán analizar en profundidad en el futuro. (El Centro de Operaciones en Sistemas (SOC) de Gaia en Madrid tarda algunos años en consolidar los datos de una misión tan masiva como Gaia hasta convertirlos en datos utilizables. Se espera que el catálogo final de Gaia esté disponible para 2030).

Estos datos se suman a otros conjuntos de datos de misiones anteriores de la agencia en la biblioteca virtual, que reside en 7 PiB de infraestructura inteligente de NetApp. En concreto, los SOC en España utilizan una combinación de almacenamiento flash (AFF) y almacenamiento conectado a la estructura (FAS). Para lograr los costes más bajos del ciclo de vida de los datos, Ruben utiliza FAS para aproximadamente el 90% de los datos científicos de la Agencia Espacial Europea..

Ventajas de la cabina all-flash NetApp AFF A150

• Rendimiento de nivel empresarial a un precio de entrada 
• Baja latencia y alto rendimiento 
• Acceso a datos de alta velocidad y mejor escalabilidad 
• Más rendimiento, fiabilidad y eficiencia energética que otros HDDs  

Ventajas del almacenamiento NetApp FAS  

• El menor coste del ciclo de vida de los datos para la jerarquización de datos fríos y los flujos de trabajo de cyber vault 
• Copias de seguridad eficientes para SAN, NAS y conjuntos de datos de objetos de rápido crecimiento 
• Escalado sin interrupciones de capacidad y rendimiento 

Roberto Prieto, ingeniero de software del Archivo de Datos Espaciales, afirma: «Nuestros dispositivos NetApp AFF y FAS, en conjunto, crean un clúster único que nos permite migrar volúmenes de datos de un sistema a otro en tiempo real». El servicio FAS multiprotocolo permite que los SoC ofrezcan capacidades de sistema de archivos de red (NFS), acceso a nivel de bloque mediante iSCSI, protocolo Fibre Channel (FCP) o almacenamiento de objetos S3 a la comunidad científica a la que sirven. Roberto continúa: «NetApp es uno de los sistemas más eficientes, escalables y flexibles que hemos tenido. En 20 años, jamás hemos perdido un solo archivo».

Lo mejor de todo (además de ser económico, sencillo y seguro) es que FAS se escala fácilmente. Y eso es crucial al investigar el Big Bang. Mientras Gaia entra en fase de pasivación tras haber cartografiado casi el 2 % de las estrellas de la Vía Láctea, Euclid ya está cartografiando más del 36 % del cosmos. Una era termina y otra comienza, y el almacenamiento de datos de la ESA, proporcionado por NetApp, mantiene los datos de cada misión científica almacenados de forma segura y con total confianza. Ruben lo explica así: «Un aspecto fundamental para el éxito de una misión es que la infraestructura de datos sea flexible y que los datos se puedan distribuir de forma ágil. Los sistemas de NetApp nos proporcionan esa flexibilidad y agilidad». 

Un análisis detallado de la estrategia de TI de los SOC revela las complejidades inherentes a la gestión de un universo de información, cuyo volumen aumenta con cada transmisión desde los instrumentos que sobrevuelan la zona. Los SOC priorizan la ciberresiliencia, especialmente considerando la accesibilidad que debe mantener la Biblioteca del Universo. La vigilancia de Rubén en este aspecto es fundamental. Él afirma: «Debemos ofrecer al público los datos que generan nuestras misiones. Al mismo tiempo, debemos protegernos a nosotros mismos y a los datos. Es una carrera sin fin». Los backups de datos y la redundancia para la recuperación de desastres también forman parte de su ámbito de responsabilidad. Aquí, la explicación se vuelve muy técnica rápidamente, pero entre otras soluciones de NetApp que utiliza se encuentran:

• NetApp^® Snapshot^™ para obtener copias instantáneas de datos valiosos mientras las aplicaciones se están ejecutando
• NetApp^® FlexClone^® para copias grabables de un momento específico de volúmenes primarios
• NetApp^® ONTAP^® FlexGroup para una capacidad casi infinita con un rendimiento predecible y de baja latencia en cargas de trabajo con gran cantidad de metadatos

Toda esta tecnología se une a través de NetApp^® ONTAP^®, el sistema operativo líder para almacenamiento unificado, que ofrece capacidad y rendimiento optimizados en todo el ecosistema de los Centros de Operaciones Científicas. Rubén destaca esta perfecta integración y facilidad de gestión, afirmando: «Valoramos la fiabilidad y la eficiencia de NetApp. Cumplieron con creces sus promesas». También reconoce que su larga relación con NetApp va más allá del hardware y el software, y añade: «Esta combinación de factores —la tecnología, el equipo humano, el soporte— ha sido clave para nosotros durante los últimos 20 años». Es una relación de la que NetApp se enorgullece de formar parte.

Al igual que el universo, los datos de las numerosas misiones científicas de la Agencia Espacial Europea se expanden y aceleran. 

• BepiColombo, una misión de dos satélites lanzada en 2018, entrará en la órbita de Mercurio en 2026
• Jupiter Icy Moons Explorer (Juice) está en camino de insertarse en órbita alrededor del gigante gaseoso en 2031

Más de 15 misiones científicas adicionales completan la lista, y esa es la tarea (¡literalmente!) astronómica que Rubén y su equipo seguirán realizando en nombre de toda la humanidad hoy, mañana y en las décadas venideras. A lo largo del camino, brindarán de vez en cuando para celebrar los logros clave en la exploración espacial y la astronomía, al comenzar una misión y al finalizar otra.

Algunas de esas celebraciones consistirán en festejar la publicación de nuevos catálogos de datos espaciales para que el mundo los utilice. Estos eventos de publicación son momentos especialmente ajetreados para los bibliotecarios encargados de la Biblioteca del Universo, ya que, antes de ser archivado, cada nuevo volumen de conocimiento se etiqueta rigurosamente utilizando un equivalente único del sistema de Clasificación Decimal Dewey. El objetivo principal de las publicaciones de datos de la ESA es maximizar el rendimiento científico de su trabajo y posibilitar descubrimientos que vayan mucho más allá de los objetivos originales de las misiones, permitiendo que la comunidad global analice los datos.

Es un enfoque sistemático y científico para ayudar a responder las grandes preguntas. Esas que todos nos hacemos, aunque no encontremos las palabras cuando empezamos a preguntárnoslas: ¿Dónde estamos? ¿Cómo llegamos aquí? ¿Y adónde vamos? Rubén dice: «Desde niño, siempre me atrajo el espacio. Cada noche contemplaba el maravilloso espectáculo de un cielo estrellado. Eso me hacía preguntarme... cuán lejos estaban, el viaje de la luz desde las estrellas hasta mis ojos. Por eso, me alegra lo que hago: ser testigo del progreso que logramos en las distintas misiones y cómo contribuyen a nuestra comprensión del universo».

A la pregunta de si se ve algún día en el espacio, Rubén menciona el proyecto Artemis, una iniciativa multifacética para llevar humanos de regreso a la Luna. La ESA es un socio clave en el programa Artemis de la NASA, proporcionando el Módulo de Servicio Europeo y el módulo lunar Gateway, cada uno con un papel fundamental en el apoyo a cuatro astronautas durante sus misiones de tres semanas a bordo de la nave espacial Orion. Las misiones incluirán astronautas europeos, lo que marcará un nuevo capítulo en la exploración lunar europea.

Mientras la pregunta queda en el aire, Rubén hace una pausa, sonríe y dice: «Creo que nos esperan tiempos interesantes. Solo doce personas han pisado la Luna. Así que, sí, veremos qué sucede en unos años…».