Big Bang, grandes questions, grandes données

Les grandes questions sont les plus anciennes. Où sommes-nous ? Comment sommes-nous arrivés ici ? Où allons-nous ?

Une question plus récente est l’une des plus importantes : le modèle ΛCDM (Lambda-CDM, ou Lambda cold dark matter) de la cosmologie physique est-il correct dans ses trois postulats selon lesquels 1] l’univers est identique partout et en expansion ; 2] les lignes dans l’espace-temps ne se croisent qu’en un seul point et le temps le long de chaque ligne peut être synchronisé ; et, 3] la relativité générale corrèle avec précision la géométrie de l’espace-temps à la distribution de la matière et de l’énergie ?

Simple, non ?

Les scientifiques et les ingénieurs de l’Agence spatiale européenne (ESA) cherchent chaque jour des réponses à ces questions, comme ils le font depuis sa fondation en 1975. Chaque génération de découvertes suscite encore plus de curiosité.

La création de l'ESA en 1975 a été plus qu’une étape majeure : elle a marqué la décision de l’Europe de rassembler des programmes nationaux fragmentés sous une seule convention et de parler d’une seule voix dans le domaine spatial. Cette mesure unificatrice a jeté les bases des réalisations de l’Agence au cours des cinq dernières décennies. Sur ce socle, l'ESA a mis en place un programme très varié, allant de la science de pointe à l’exploration, à l’observation de la Terre et aux vols spatiaux habités.

Aussi impressionnant que soit le programme de vols spatiaux habités de la Station spatiale internationale (ISS), l'ESA gère également l’exploration sans équipage d’autres planètes et lunes de notre galaxie, ainsi que de nombreux réseaux de satellites artificiels en orbite proche de la Terre. Au total, l’Agence supervise actuellement une vingtaine de missions, étudiant tout, des vents solaires terrestres et des changements climatiques dans l’Arctique, à la physique des plasmas (le plasma est l’état de la matière le plus désordonné et le plus omniprésent dans notre univers) et aux répercussions du Big Bang il y a environ 14 milliards d'années (cet événement cosmique unique reste l'origine de tous les grands mystères connus de l’humanité).

La mission de l’ESA pour répondre à la question ΛCDM porte le nom d’Euclid d’Alexandrie, le mathématicien grec de l’Antiquité qui a organisé les propriétés des points, des lignes, des plans et des angles dans la forme traditionnelle de la géométrie. Par définition, le télescope spatial Euclid est conçu pour observer la géométrie de milliards de galaxies situées à 10 milliards d’années-lumière, en utilisant les propriétés classiques des points, des lignes, des plans et des angles.

Si l’on met de côté (pour la plupart d’entre nous) les mathématiques complexes et les nombreux zéros, les données générées par la mission Euclid cartographient efficacement plus d’un tiers du ciel observable. Mais, chose incroyables, les recherches de l’équipe Euclid se concentrent uniquement sur l’observation de l’invisible : la gravité, l’énergie noire et la matière noire. En effet, ce qui est encore plus incroyable, c'est que seulement 5 % du cosmos est visible (par exemple, les atomes, la lumière, votre commande habituelle chez Starbucks). Les 95 % restants du cosmos, invisibles de tous jusqu’à présent, détiennent les réponses que recherche Euclid.

Ces réponses seront bientôt trouvées dans les données stockées sur les serveurs NetApp. Bientôt dans une Voie lactée près de chez vous.

Ruben Alvarez a obtenu son master en astrophysique à l'université Complutense de Madrid, fondée en 1293. En tant qu’ancien étudiant de troisième cycle de l’une des plus anciennes universités du monde, il est donc tout à fait normal que Ruben contribue à répondre à certaines des questions les plus anciennes du monde. Des années plus tard, il a obtenu son master en gestion informatique. En tant que coordinateur de l’infrastructure informatique scientifique et responsable de la cybersécurité de l’ESA, Ruben Alvarez met en œuvre ses compétences multidisciplinaire à un carrefour rare. Scientifique et chercheur au début de sa carrière, il fait aujourd’hui le lien entre le monde immatériel de la théorie cosmologique et le monde très tangible du matériel et des logiciels nécessaires pour capturer et gérer les données qui prouvent ou réfutent les grandes questions de la science spatiale. En termes simples, Ruben fournit l’infrastructure informatique et la cybersécurité nécessaires aux centres d'opérations scientifiques (SOC) de l’ESA. C’est ici que des professionnels hautement spécialisés orchestrent avec habilité et simultanément les exigences de multiples missions spatiales et astronomiques.

Ils ont fort à faire, et chaque jour est différent. Leur travail va de l’étalonnage post-lancement des instruments embarqués à la conception d’environnements de stockage tout au long du cycle de vie des données. Pour ce faire, ils traitent et analysent les données spatiales brutes provenant de plusieurs engins spatiaux et satellites astronomiques. Leur mission, qui ne connaît aucun répit, façonne en fin de compte notre compréhension de l’existence physique de l’univers et de la nôtre. Les ensembles de données créés par l'ESA au cours du dernier demi-siècle ont donné naissance à un corpus d’œuvres dûment reconnues comme la Bibliothèque numérique de l'univers. Et sur une étagère de cette bibliothèque se trouve un volume croissant de données représentant l’un des livres les plus récents du monde, dont l'écriture a pris des milliards d’années.

L'ensemble de données Euclid est notre atlas numérique du cosmos.

Le télescope grand angle Euclid suit aujourd’hui une trajectoire de halo autour du soleil, à un million de kilomètres de son lieu de lancement à Cape Canaveral, en Floride, en juillet 2023. Euclid est une mission dirigée par l’ESA avec des contributions de la NASA, notamment des détecteurs infrarouges, le soutien au sol et les scientifiques américains du consortium Euclid. Le lancement a été effectué à bord d’un Falcon 9 fourni par SpaceX. Le satellite est entré en orbite stable environ un mois plus tard et les scientifiques ont retenu leur souffle. Mais les premières images transmises par Euclid à la Terre sont entachées par la pollution lumineuse. Pas d’inquiétude. Après la coordination entre l’équipe SOC à Madrid et les ingénieurs à Toulouse et à Turin, en Italie, quelques degrés de calibrage de l'engin suffisent à régler le problème, et la mission se poursuit à un rythme soutenu.

Principales responsabilités des centres d'opérations scientifiques (SOC du Centre européen d'astronomie spatiale (ESAC)

• Planification de missions spatiales : jusqu'à 15 missions simultanées, dont la plupart durent entre 5 et 15 ans
• Étalonnage des instruments spatiaux : assistance aux ingénieurs dans le réglage des paramètres des engins spatiaux après leur lancement jusqu’à ce qu'une orbite stable soit atteinte et que la transmission fiable des données d’une mission commence officiellement
• Traitement des données spatiales : traitement, tri, catalogage, analyse et, d’une manière générale, nettoyage des données en vue de leur « publication » (ce qui peut prendre des années)
• Archivage des données spatiales : fourniture et garantie d'un accès 24 h/24 et 7 j/7 à la Bibliothèque de l’Univers à 30 000 chercheurs et universitaires, à tout moment et en tout lieu

Euclid est initialement proposé sous la forme de deux missions avec des objectifs connexes. En les combinant, l'ESA bénéficie aujourd’hui des avantages d'en faire plus avec moins. C’est aussi un exemple fantastique de la façon dont la nature distribuée de l'ESA profite à tous : plus de 2 500 ingénieurs et scientifiques dans plus de 15 pays font partie du consortium scientifique Euclid. Mais Euclid est aussi un parfait exemple de la complexité à laquelle Ruben et son équipe sont confrontés. De nombreuses missions spatiales ont un objectif unique, par exemple étudier une lune lointaine ou atterrir sur un astéroïde transitant près de la Terre. À l’inverse, le programme d’Euclid est l’un des plus vastes imaginables : il consiste à étudier des milliards d’objets extragalactiques et d’étoiles en dehors de la Voie lactée, avec une résolution quatre fois supérieure à celle des télescopes terrestres les plus avancés au monde.

Heureusement, il existe un précédent.

Au moment même où cet article est mis en ligne en 2025, l’une des missions les plus remarquables de l’Agence spatiale européenne touche à sa fin, car, tout comme les saisons changent inévitablement sur notre planète, le vaisseau spatial Gaia entre inévitablement en « passivation », moment où son énergie interne restante (par exemple, l’énergie non utilisées des batteries et le carburant non consommé) est intentionnellement épuisée. L’instrument entre dans une orbite déterminée par un accord international afin de ne présenter aucune menace pour les futures missions spatiales en tant que débris spatiaux dangereux. Cette dernière étape de la conception du vaisseau spatial et de la portée de la mission désigne officiellement Gaia comme « une mission historique ». Cela signifie également qu’après plus d’une décennie consacrée à créer la carte tridimensionnelle la plus grande et la plus précise de la galaxie de la Voie lactée, Gaia ne sera plus une voix active dans notre conversation intergalactique avec le cosmos. Mais quelle voix Gaia s’est avérée être dans sa mission d’éclairer et d’inspirer.

Ruben Alvarez et NetApp, bien qu’ils soient tous deux liés à la terre, accompagnent métaphoriquement Gaia tout au long de son voyage.

Lors de son lancement en 2013, Gaia a été conçu pour des études rigoureuses dans divers domaines de l’astrométrie : mesurer les caractéristiques des étoiles, des exoplanètes et de leurs voisines dans notre galaxie, en fonction de leurs positions relatives, de leurs tailles et de leurs couleurs. C’est beaucoup plus compliqué que cela, bien sûr, mais le résultat est un catalogue sans précédent d’objets astronomiques : étoiles, planètes, comètes, astéroïdes, quasars, et plus encore. Et tout cela en 3D.

Au départ, Gaia devait produire 100 fois plus de données que les missions précédentes, mais même avec ces attentes élevées, Gaia s’est révélé être un véritable surdoué. En ciblant seulement 1 % de la Voie lactée, soit 1 milliard des 100 milliards d’étoiles de la galaxie que nous appelons notre maison, Gaia a finalement cartographié près de 2 milliards d’objets célestes et enregistré environ 200 To de données à travers lesquelles les qui permettront un jour aux chercheurs et aux universitaires de s'en donner à cœur joie. (Il faudra quelques années au SOC Gaia de Madrid pour opérer sa magie et rassembler les données de cette mission gigantesque dans un format exploitable. La version finale du catalogue Gaia devrait être livrée d’ici 2030.)

Il rejoint d’autres jeux de données du passé de l’Agence dans la bibliothèque virtuelle hébergée sur 7 PiB d’infrastructure intelligente de NetApp. Plus précisément, les SOC en Espagne s’appuient sur une combinaison de stockage 100 % flash (AFF) et de stockage connecté au fabric (FAS). Pour atteindre les coûts les plus bas du cycle de vie des données, Ruben utilise le FAS pour environ 90 % de l’empreinte des données scientifiques de l’Agence spatiale européenne.

Avantages de la baie AFF A150 100 % Flash NetApp  

• Haute performance à un prix d’entrée de gamme 
• Faible latence et débit élevé 
• Accès aux données à grande vitesse et évolutivité améliorée 
• Plus performant, plus fiable et plus économe en énergie que les autres disques durs

Avantages du stockage NetApp FAS  

• Coût du cycle de vie des données le plus bas pour le tiering des données inactives et les workflows de cyberarchivage 
• Sauvegarde efficace pour les ensembles de données SAN, NAS et objet à croissance rapide 
• Évolutivité transparente de la capacité et des performances 

Roberto Prieto, ingénieur logiciel Space Data Archive, déclare : « Nos appareils NetApp AFF et FAS forment ensemble un cluster unique qui nous permet, en temps réel, de migrer des volumes de données d’un système à un autre. » Le service FAS multiprotocole permet aux SOC d'offrir des fonctionnalités de système de fichiers réseau (NFS), un accès au niveau des blocs via iSCSI (Internet Small Computer System Interface), le protocole Fibre Channel (FCP) ou un stockage objet S3 à la communauté scientifique qu’ils servent. Roberto Prieto poursuit : « NetApp est l’un des systèmes les plus efficaces, évolutifs et flexibles que nous ayons jamais eus. En 20 ans, nous n’avons jamais perdu un seul fichier. » 

 Le plus grand avantage (outre son caractère économique, simple et sécurisé), c’est que la gamme FAS évolue facilement. Et cela a son importance lorsque l'on étudie le Big Bang. Alors que Gaia entre en passivation après avoir cartographié près de 2 % des étoiles de la Voie lactée, Euclid cartographie déjà plus de 36 % du cosmos. Une époque se termine tandis qu’une autre commence, et le stockage des données de l’ESA par NetApp garantit la sécurité et la fiabilité des données de chaque mission scientifique. Ruben Alvarez l’exprime ainsi : « Pour qu'une mission soit couronnée de succès, il est essentiel que l’infrastructure de données soit flexible et que les données puissent être distribuées de manière agile. NetApp nous offre cette flexibilité et cette agilité. » 

En examinant de plus près la stratégie informatique des SOC, on se rend compte de la complexité inhérente à la gestion d’un véritable univers d’informations, d'autant plus que leur volume augmente à chaque transmission provenant d’instruments éloignés survolent nos têtes. Les SOC accordent une importance primordiale à la cyberrésilience, en particulier compte tenu de la « porte ouverte » que doit maintenir la Bibliothèque de l’Univers. La vigilance de Ruben Alvarez à cet égard ne saurait être surestimée. Il déclare : « Nous devons offrir au public les données que nos missions créent. Dans le même temps, nous devons nous protéger et protéger les données. C’est une course sans fin. » La sauvegarde des données et la redondance pour la reprise d'activité font également partie de ses attributions. Ici, cela devient très technique, très rapidement, mais parmi les autres solutions NetApp dans sa boîte à outils, on trouve :

• NetApp^® Snapshot^™ pour des copies instantanées de données précieuses pendant l’exécution des applications
• NetApp^® FlexClone^® pour des copies inscriptibles et ponctuelles des volumes parents
• NetApp^® ONTAP^® FlexGroup pour une capacité quasi infinie et des performances prévisibles à faible latence dans les workloads forts consommateurs de métadonnées

Toute cette technologie est réunie grâce à NetApp^® ONTAP^®, le système d’exploitation leader pour le stockage unifié, offrant une capacité et des performances optimisées dans l’ensemble de l’écosystème des centres d’opérations scientifiques. C’est cette intégration transparente et cette facilité de gestion que Ruben Alvarez met en avant, en disant : « Nous apprécions la fiabilité et l’efficacité de NetApp. Ils ont vraiment tenu leurs promesses. » Il reconnaît également qu’il y a plus que du matériel et des logiciels derrière sa relation de longue date avec NetApp, et ajoute : « Cette combinaison de facteurs — la technologie, les personnes, le support — tout cela a été essentiel pour nous au cours des 20 dernières années. » NetApp est fier de faire partie de cette relation.

À l'image de l'univers lui-même, les données issues des nombreuses missions scientifiques de l'Agence spatiale européenne sont à la fois en expansion et en accélération. 

• BepiColombo, une mission à deux satellites lancée en 2018, devrait entrer en orbite autour de Mercure en 2026
• Jupiter Icy Moons Explorer (Juice) est en bonne voie pour s'insérer en orbite autour de la géante gazeuse en 2031

Plus de 15 autres missions scientifiques complètent la liste et c’est là la tâche astronomique (au sens propre !) que Ruben Alvarez et son équipe continueront d’accomplir au nom de toute l’humanité aujourd’hui, demain et dans les décennies à venir. En cours de route, ils lèveront de temps à autre leur verre pour célébrer les réalisations clés de l’exploration spatiale et de l’astronomie, à mesure que les missions s'enchaînent.

Certaines de ces célébrations salueront la publication de nouveaux catalogues de données spatiales destinés à être utilisés par le monde entier. Ces « sorties de livre » sont des périodes particulièrement chargées pour les bibliothécaires chargés de superviser la Bibliothèque de l'univers, car avant d'être rangé, chaque nouveau volume de connaissances est rigoureusement étiqueté à l'aide d'un système unique équivalent à la classification décimale Dewey. L'objectif principal des « publications de données » de l'ESA est de maximiser le rendement scientifique de ses travaux et de permettre des découvertes bien au-delà des objectifs initiaux de ses missions en laissant la communauté mondiale analyser les données.

Il s'agit d'une approche systématique et scientifique visant à répondre aux grandes questions. Celles que nous avons tous, même si nous n'avons pas encore les mots pour les formuler lorsque nous commençons à nous demander : où sommes-nous ? Comment sommes-nous arrivés ici ? Et où allons-nous ? Ruben Alvarez déclare : « Depuis mon enfance, j’ai toujours été attiré par l’espace. Je contemplais chaque nuit le merveilleux spectacle d’un ciel d’étoilé. Alors je me suis interrogé... à quelle distance se trouvaient ces étoiles, quel était le trajet parcouru par la lumière des étoiles jusqu’à mes yeux. Je suis donc heureux de faire ce que je fais : être témoin des progrès que nous accomplissons dans différentes missions, et de la façon dont elles contribuent à notre compréhension de l'univers. »

Lorsqu’on lui demande s’il se voit un jour dans l’espace, Ruben Alvarez mentionne le projet Artemis, une initiative aux multiples facettes visant à ramener des humains sur notre Lune. L'ESA est un partenaire clé du programme Artemis de la NASA, fournissant le module de service européen et le module lunaire Gateway, qui jouent chacun un rôle essentiel dans le soutien des quatre astronautes lors de leur mission de trois semaines à bord du vaisseau spatial Orion. Les missions devraient inclure des astronautes européens, marquant ainsi un nouveau chapitre dans l’exploration lunaire par l’Europe.

Alors que la question reste en suspens, Ruben Alvarez marque une pause et sourit, puis déclare : « Je pense que des temps intéressants nous attendent. Seules 12 personnes ont marché sur la Lune. Alors, oui, voyons ce qui se passera dans quelques années... »