Big Bang, domande più grandi, dati più grandi

Le grandi domande sono le più antiche. Dove siamo? Come siamo arrivati qui? Dove stiamo andando?

Una domanda più recente è una delle più grandi di tutte: il modello ΛCDM (Lambda-CDM, o Lambda cold dark matter) della cosmologia fisica è corretto nei suoi tre postulati che, 1] l'universo è lo stesso ovunque e si sta espandendo; 2] le linee nello spazio-tempo si intersecano in un solo punto e il tempo lungo ciascuna linea può essere sincronizzato; e, 3] la relatività generale correla accuratamente la geometria dello spazio-tempo alla distribuzione della materia e dell'energia?

Semplice, vero?

Gli scienziati e gli ingegneri dell'European Space Agency (ESA) cercano risposte a queste domande ogni giorno, proprio come fanno sin dalla sua fondazione nel 1975. Ogni generazione di intuizioni ispira ancora più curiosità.

Quando ESA è stata creata nel 1975, è stato più di una pietra miliare scientifica: è stata la decisione dell’Europa di riunire programmi nazionali frammentati sotto un’unica convenzione e parlare con una sola voce nello spazio. Quel passo unificante ha gettato le basi per i successi dell’agenzia negli ultimi cinque decenni. Da quelle fondamenta, ESA ha costruito un programma ad ampio raggio: dalla scienza all’avanguardia all’esplorazione, all’osservazione della Terra e al volo spaziale umano.

Per quanto sia impressionante partecipare al programma di volo spaziale umano della Stazione Spaziale Internazionale (ISS), l'ESA gestisce anche l'esplorazione senza equipaggio di altri pianeti e lune nella nostra galassia e numerosi array di satelliti artificiali in orbita vicino alla Terra. In totale l'agenzia attualmente supervisiona circa 20 missioni, studiando tutto, dai venti solari della Terra e i cambiamenti climatici nell'Artico, alla fisica del plasma (il plasma è lo stato più disordinato e onnipresente della materia nel nostro universo) e gli effetti a catena del Big Bang circa 14B anni fa (il singolare evento cosmico rimane la madre di tutti i misteri più grandi conosciuti dall'umanità).

La missione dell’ESA per rispondere alla domanda ΛCDM prende il nome da Euclid of Alexandria, l’antico matematico greco che organizzò le proprietà di punti, linee, piani e angoli nella forma tradizionale della geometria. Per definizione, il telescopio spaziale Euclid è progettato per osservare la geometria di miliardi di galassie fino a 10 miliardi di anni luce di distanza, utilizzando le proprietà classiche di punti, linee, piani e angoli.

Mettendo da parte (per la maggior parte di noi) la matematica difficile e molti zeri, i dati che la missione Euclid crea mappano efficacemente più di un terzo del cielo osservabile. Ma, in modo strabiliante, la ricerca del team Euclid si concentra sull'osservazione solo dell'invisibile: la gravità e la cosiddetta energia oscura e materia oscura. Questo perché, cosa ancora più strabiliante, solo il 5% del cosmo è visibile (ad esempio, atomi, luce, il tuo ordine Starbucks preferito). L'altro 95% del cosmo, nascosto in bella vista fino ad ora, contiene le risposte che Euclid cerca.

Queste risposte si troveranno presto nei dati sui server NetApp. Prossimamente in una Via Lattea vicino a te.

Ruben Alvarez ha conseguito il MSc in Astrofisica presso la Complutense University of Madrid, fondata nel 1293. In qualità di post-laureato di una delle università più antiche del mondo, è quindi giusto che Ruben stia aiutando a rispondere ad alcune delle domande più antiche del mondo. Anni dopo ha conseguito un master in IT management. In qualità di Science IT infrastructure coordinator e cybersecurity manager dell'ESA, Ruben applica il suo mestiere multidisciplinare in un raro crocevia. Scienziato e ricercatore all'inizio della sua carriera, ora collega il mondo intangibile della teoria cosmologica e il mondo molto tangibile dell'hardware e del software necessari per acquisire e gestire i dati che dimostrano o smentiscono le grandi domande della scienza spaziale. In parole semplici, Ruben fornisce l'infrastruttura IT e la cybersecurity necessarie ai Science Operations Centers (SOCs) dell'ESA. È qui che professionisti altamente specializzati orchestrano abilmente e simultaneamente le esigenze di più missioni spaziali e astronomiche.

Hanno le mani occupate e non ci sono due giorni uguali. Il loro lavoro spazia dalla calibrazione post-lancio degli strumenti di bordo alla progettazione degli ambienti di storage attraverso il ciclo di vita dei dati. Ciò si realizza mentre elaborano e analizzano dati spaziali raw provenienti da molteplici veicoli spaziali e satelliti astronomici. Il loro è un dovere di cura sempre attivo che alla fine modella la nostra comprensione dell'esistenza fisica dell'universo e della nostra. I dataset creati da ESA nell'ultimo mezzo secolo si traducono in un corpo di lavoro debitamente riconosciuto come la Digital Library of the Universe. E su uno scaffale di quella biblioteca c'è un volume crescente di dati che rappresenta uno dei libri più recenti del mondo, miliardi di anni nella sua scrittura.

Il dataset Euclid è il nostro Atlante digitale del Cosmo.

Il telescopio grandangolare Euclid oggi segue una traiettoria di alone attorno al sole, a un milione di miglia da dove è stato lanciato a Cape Canaveral, Florida, nel luglio 2023. Euclid è una missione guidata dall'ESA con contributi della NASA, tra cui rilevatori a infrarossi, supporto a terra e scienziati statunitensi nel Consorzio Euclid. Il lancio è stato effettuato su un Falcon 9 fornito da SpaceX. Il satellite è entrato in orbita stabile circa un mese dopo e gli scienziati hanno trattenuto il respiro collettivamente. Ma le prime immagini di Euclid trasmesse sulla Terra sono contaminate dall'inquinamento luminoso. Non preoccuparti. La calibrazione del veicolo di alcuni gradi dopo il coordinamento tra il team SOC di Madrid e gli ingegneri a Tolosa, Francia, e Torino, Italia, rimette presto le cose a posto e la missione continua a ritmo sostenuto.

Principali responsabilità dei Science Operations Centers (SOCs) del European Space Astronomy Center (ESAC)

• Pianificazione delle missioni spaziali—Include più di 15 missioni in un dato momento, la maggior parte delle quali continua per 5-15 anni
• Calibrazione dello strumento spaziale—assistere gli ingegneri mentre regolano i parametri del veicolo spaziale post-lancio fino al raggiungimento di un'orbita stabile e all'inizio ufficiale della trasmissione affidabile dei dati di una missione
• Elaborazione dei dati spaziali—elaborazione, ordinamento, catalogazione, analisi e in generale pulizia dei dati in preparazione per la ‘pubblicazione’ (può richiedere anni)
• Archiviazione dei dati spaziali—fornire e salvaguardare l'accesso 24 / 7 / 365 alla Biblioteca dell'Universo da parte di 30.000 ricercatori e accademici in qualsiasi momento, da qualsiasi luogo

Euclid è inizialmente proposto come due missioni con obiettivi adiacenti. Combinandole, ESA oggi raccoglie i vantaggi di fare di più con meno. È anche un fantastico esempio di come la natura distribuita di ESA sia vantaggiosa per tutti noi: più di 2.500 ingegneri e scienziati in oltre 15 paesi fanno parte dell'Euclid Scientific Consortium. Ma Euclid è anche un perfetto esempio della complessità che Ruben e il suo team devono affrontare. Molte missioni spaziali hanno un unico obiettivo—studiare una luna lontana, per esempio, o atterrare su un asteroide in transito vicino alla Terra. Al contrario, l'agenda di Euclid è tra le più ampie immaginabili: studiare miliardi di oggetti extragalattici e stelle al di fuori della Via Lattea, e con una risoluzione 4 volte superiore a quella dei telescopi terrestri più avanzati del mondo.

Fortunatamente, c'è un precedente.

Anche se questo articolo viene pubblicato online nel 2025, una delle missioni più straordinarie dell’European Space Agency raggiunge la fine del suo ciclo di vita, perché mentre le stagioni cambiano inevitabilmente sul suo pianeta natale, la spacecraft Gaia entra inevitabilmente in “passivazione”, a quel punto la sua energia interna rimanente (ad esempio, batteria non sfruttata e propellente non esaurito) viene intenzionalmente esaurita. Lo strumento entra in un’orbita determinata da un accordo internazionale per non rappresentare una minaccia per le future missioni spaziali come pericolosi detriti spaziali. Questa fase finale della progettazione della spacecraft e dello scopo della missione designa ufficialmente Gaia come “one for the record books”. Significa anche che, dopo più di un decennio dedicato a creare la mappa tridimensionale più grande e accurata della galassia della Via Lattea, Gaia non sarà più una voce attiva nella nostra conversazione intergalattica con il cosmo. Ma che voce Gaia dimostra di essere nella sua missione di illuminare e ispirare.

Ruben Alvarez e NetApp, nonostante siano entrambi legati alla terra, sono metaforicamente insieme per l'intero viaggio.

Quando è stato lanciato nel 2013, Gaia è stato progettato per uno studio disciplinato attraverso varie dimensioni dell'astrometria: misurare gli attributi di stelle, esopianeti e dei loro vicini nella nostra galassia, in base alle loro posizioni, dimensioni e colori relativi. È molto più complicato di così, ovviamente, ma il risultato è un catalogo senza precedenti di oggetti astronomici—stelle, pianeti, comete, asteroidi, quasar, altro. E tutto in 3D.

All'inizio, Gaia dovrebbe produrre 100 volte più dati rispetto alle missioni precedenti, ma anche a quell'altitudine rarefatta di aspettative Gaia si dimostra un over-achiever. Mirando solo all'1% della Via Lattea—cioè 1 miliardo dei 100 miliardi di stelle nella galassia che chiamiamo casa—Gaia alla fine ha mappato quasi 2 miliardi di oggetti celesti e ha registrato circa 200TB di dati attraverso i quali un giorno ricercatori e accademici si scateneranno. (Ci vogliono alcuni anni prima che il Gaia SOC di Madrid faccia la sua magia per fondere i dati della missione su un progetto massiccio come Gaia in condizioni utilizzabili. Il catalogo Gaia finale dovrebbe essere consegnato entro il 2030.)

Si unisce ad altri set di dati del passato dell'agenzia nella biblioteca virtuale che risiede su 7 PiBs di infrastruttura intelligente di NetApp. Nello specifico, i SOC in Spagna si basano su un mix di array all-flash (AFF) e fabric-attached storage (FAS). Per ottenere i costi più bassi del ciclo di vita dei dati, Ruben utilizza FAS per circa il 90% della footprint dei dati scientifici dell'Agenzia spaziale europea.

Vantaggi del NetApp AFF A150 array all-flash  

• Prestazioni di livello enterprise a un prezzo entry-level 
• Bassa latenza e throughput elevato 
• Accesso ai dati ad alta velocità e scalabilità migliorata 
• Più performante, affidabile ed efficiente dal punto di vista energetico rispetto ad altri HDD  

Vantaggi dello storage NetApp FAS  

• Costo del ciclo di vita dei dati più basso per il tiering dei cold data e dei workflow di cyber vault 
• Backup efficiente per set di dati SAN, NAS e object in rapida crescita 
• Scalabilità perfetta di capacità e performance 

Roberto Prieto, Space Data Archive Software Engineer afferma: "I nostri NetApp dispositivi AFF e FAS, insieme, creano un unico cluster che ci consente, in tempo reale, di migrare i volumi di dati da un sistema all'altro." Il servizio FAS multiprotocollo significa che i SOC possono offrire funzionalità di file system di rete (NFS), accesso a livello di blocco tramite iSCSI (Internet Small Computer System Interface), Fibre Channel Protocol (FCP) o storage a oggetti S3 alla comunità scientifica che servono. Roberto continua: "NetApp è uno dei sistemi più efficienti, scalabili e flessibili che abbiamo mai avuto. In 20 anni non abbiamo mai perso un solo file." 

 La cosa migliore (oltre a essere economica, semplice e sicura) è che FAS è facilmente scalabile. E questo significa qualcosa quando si indaga sul Big Bang. Mentre Gaia entra in passivazione dopo aver mappato quasi il 2% delle stelle nella Via Lattea, Euclid sta già mappando oltre il 36% del cosmo più ampio. Un'era finisce mentre un'altra inizia, e lo storage dei dati dell'ESA da NetApp mantiene i dati di ogni missione scientifica archiviati in modo sicuro, con la fiducia integrata. Ruben la mette così: "Un punto critico per rendere una missione di successo è che l'infrastruttura dati sia flessibile e che i dati possano essere distribuiti in modo agile. NetApp ci offre quella flessibilità e agilità.” 

Uno sguardo più attento alla strategia IT dei SOC rivela le complessità inerenti alla gestione di un universo letterale di informazioni, anche se il suo volume aumenta con ogni trasmissione da strumenti lontani che sfrecciano sopra la testa. I SOC mantengono la resilienza informatica in primo piano, soprattutto considerando la "porta aperta" che la Biblioteca dell'Universo deve mantenere. La vigilanza di Ruben su questo fronte non può essere sopravvalutata. Dice: “Dobbiamo offrire al pubblico i dati che le nostre missioni creano. Allo stesso tempo, dobbiamo proteggere noi stessi e i dati. È una gara che non finisce mai.” Anche i backup dei dati e la ridondanza per il disaster recovery fanno parte della sua competenza. Qui diventa altamente tecnico, molto rapidamente, ma tra le altre NetApp soluzioni nella sua cassetta degli attrezzi ci sono:

• NetApp^® Snapshot^™ per copie istantanee di dati preziosi durante l'esecuzione delle applicazioni
• NetApp^® FlexClone^® per copie scrivibili e point-in-time dei volumi principali
• NetApp^® ONTAP^® FlexGroup per una capacità quasi infinita con performance prevedibili e a bassa latenza in carichi di lavoro con molti metadati

Tutta questa tecnologia si unisce grazie a NetApp^® ONTAP^®, il sistema operativo leader per lo storage unificato, che offre capacità e prestazioni ottimizzate in tutto l’ecosistema dei Science Operations Centers. È questa perfetta integrazione e facilità di gestione che Ruben evidenzia, affermando: “Apprezziamo l’affidabilità e l’efficienza di NetApp.” Hanno davvero mantenuto le promesse che avevano fatto.” Riconosce anche che c’è molto di più dell’hardware e del software dietro il suo rapporto di lunga data con NetApp, continuando: “Questa combinazione di fattori—la tecnologia, le persone, il supporto—sono stati tutti fondamentali per noi negli ultimi 20+ anni.” È una relazione di cui NetApp è orgogliosa di far parte.

Come l'universo stesso, i dati delle numerose missioni scientifiche dell'European Space Agency si stanno espandendo e accelerando. 

• BepiColombo, una missione a due satelliti lanciata nel 2018, entrerà nell'orbita di Mercurio nel 2026
• Jupiter Icy Moons Explorer (Juice) è sulla buona strada per l'inserimento orbitale attorno al Gas Giant nel 2031

Più di 15 missioni scientifiche aggiuntive completano l'elenco e questo è il compito (letteralmente!) astronomico che Ruben e il suo team continueranno a svolgere per conto di tutta l'umanità oggi, domani e nei decenni a venire. Lungo la strada, alzeranno un bicchiere di tanto in tanto e celebreranno risultati chiave nell'esplorazione spaziale e nell'astronomia mentre una missione inizia e un'altra termina.

Alcune di queste celebrazioni saranno per festeggiare l'ingresso di nuovi cataloghi di dati spaziali man mano che vengono pubblicati per l'uso da parte del mondo. Questi eventi di 'uscita del libro' sono tempi particolarmente impegnativi per i bibliotecari con la supervisione della Library of the Universe, perché prima di essere collocato sugli scaffali, ogni nuovo volume di conoscenza è rigorosamente etichettato utilizzando un equivalente univoco del sistema di classificazione decimale Dewey. Lo scopo principale dei 'data releases' dell'ESA è massimizzare il ritorno scientifico del loro lavoro e consentire scoperte ben oltre gli obiettivi delle loro missioni originali, permettendo alla comunità globale di analizzare i dati.

È un approccio sistematico e scientifico per aiutare a rispondere alle grandi domande. Quelle che tutti noi abbiamo, anche se non abbiamo ancora le parole quando iniziamo a chiederci, dove siamo? Come siamo arrivati qui? E dove stiamo andando? Ruben dice, "Fin da quando ero bambino, sono sempre stato attratto dallo spazio. Vedevo ogni notte il meraviglioso spettacolo di una notte piena di stelle. Questo mi faceva chiedere... quanto fossero lontane, il viaggio della luce dalle stelle ai miei occhi. Quindi, sono felice di fare quello che sto facendo—essere testimone dei progressi che stiamo facendo in diverse missioni e di come stanno contribuendo alla nostra comprensione dell'universo."

Quando gli viene chiesto se un giorno si vede nello spazio, Ruben menziona il progetto Artemis, un'iniziativa sfaccettata per riportare gli esseri umani sulla nostra luna. ESA è un partner chiave nel programma Artemis della NASA, fornendo l'European Service Module e il modulo lunar Gateway, ciascuno dei quali svolge un ruolo fondamentale nel supportare quattro astronauti durante le loro missioni di tre settimane a bordo della Orion spacecraft. Le missioni includeranno astronauti europei, segnando un nuovo capitolo nell'esplorazione europea della Luna.

Mentre la domanda è sospesa nell'aria, Ruben fa una pausa e sorride, poi dice: "Penso che ci aspettino tempi interessanti. Solo 12 persone hanno messo piede sulla Luna. Quindi, sì, vediamo cosa succederà tra qualche anno..."