Originale Story von Ron Hipschman
Ins Deutsche übersetzt von: Silvia Michel - Copyright ©1999SETI@home

Für SETI.Germany bearbeitet von aendgraend


Das Problem − Berge von Daten

Die meisten heute laufenden SETI-Programme, inklusive derjenigen am UC Berkeley, verwenden Grosscomputer, um die von den Teleskopen eingefangenen Daten in Echtzeit zu analysieren.
Keiner dieser Computer untersucht die Daten sehr detailliert auf schwächere Signale oder auf eine grosse Bandbreite verschiedener Signal-Typen (die wir noch besprechen werden...). Der Grund dafür ist, dass die Rechenkapazität der Computer für die umfassende Analyse der Unmengen von Daten einfach nicht ausreicht. Um auch die schwächsten Signale herausfiltern zu können, bedürte es eines monströsen Supercomputers.

SETI-Programme verfügen nicht über die nötigen finanziellen Mittel um sich solche Computer zu konstruieren oder anzuschaffen. Sie haben aber eine Alternative.
Anstatt dass sie die Arbeit durch einen einzigen riesigen Rechner bewältigen lassen, können sie einen kleineren Computer benutzen, der aber wesentlich mehr Zeit dazu benötigt. Dann häufen sich jedoch riesige Datenmengen an. Was aber, wenn sie ungemein viele solcher kleiner Computer verwenden, die alle simultan die verschiedenen Analyse-Segmente bearbeiten? Wo könnte das SETI-Team Tausende von Computern finden, die sie benötigen würden um die laufend von Arecibo hereinströmenden Daten analysieren zu können?

Das UC Berkeley SETI-Team entdeckte, das es da bereits Tausende von Computern gab, die sie für ihre Zwecke verwenden konnten. Die meisten dieser Computer standen die grösste Zeit unbenutzt in der Gegend rum. Fliegende Toaster, Sterne, Fische etc. auf den Bildschirmen (Schoner) signalisierten noch den nutzlosen Verbrauch von Elektrizität. Das ist der Punkt an dem SETI@home (und ihr!) ins Spiel kommt. Was man sich durch das SETI@home Projekt erhofft ist, dass ihr uns Euren Computer "ausborgt" wenn ihr ihn nicht selbst benutzt und dass ihr uns helft "neues Leben und neue Zivilisationen zu suchen". Dies wird ermöglicht durch einen Bildschirmschoner, der über Internet eine Dateneinheit von uns herunterlädt, diese dann offline analysiert, und die eruierten Resultate dann wieder an uns zurücksendet. Wann immer ihr Euren Computer selbst benutzen wollt, wird der Bildschirmschoner inaktiv und startet erst wieder, wenn ihr Eure Arbeit abgeschlossen habt.

Es ist eine interessante und schwierige Aufgabe. Es gibt jedoch so viele Daten die analysiert werden müssten, dass das Gelingen unmöglich scheint! Glücklicherweise können die Datenanalyse-Pensen in kleine "Pakete" (units) aufgeteilt werden, die alle einzeln und parallel bearbeitet werden können.
Keines der Datenpakete ist also von einem anderen abhängig. Ausserdem gibt es nur einen begrenzten Himmelsabschnitt, der von Arecibo aus beobachtet werden kann. In den nächsten zwei Jahren wird der ganze Himmel, der vom Teleskop erfasst werden kann, drei mal vollständig abgesucht. Wir denken, dass dies für dieses Projekt genügen wird. Währenddessen wir den besagten Himmels- abschnitt drei mal "gescanned" haben werden, wird es wohl bereits neue Teleskope, neue Experimente und neue Versuche zu SETI geben. Wir hoffen, dass ihr auch an diesen teilhaben werdet!


Die Aufgliederung der Daten

Die vom Arecibo Teleskop in Puerto Rico (kleinste Insel der Grossen Antillen/Karibik) eingefangenen Daten werden auf Datenträgern mit hoher Dichte aufgezeichnet - sie füllen rund ein 35 Gbyte DLT-Band pro Tag. Da Arecibo über keine Breitband-Internetverbindung verfügt, senden wir die Datenbänder per snail-mail ("Schneckenpost") nach Berkeley. Dort werden die Daten in 0.25 Mbyte-Pakete aufgeteilt (die wir "work-units" nennen). Diese werden dann vom SETI@home-Server über das Internet an Menschen aus der ganzen Welt zur Analysierung gesandt.

Sonderabsatz: Wie die Daten aufgegliedert werden

 SETI@home betrachtet ein Frequenzfenster von 2.5 MHz, zentriert bei 1420 MHz (1.42 GHz). Aber auch dieses Spektrum ist immer noch viel zu umfassend, um es euch zur Analyse zuzuschicken, daher teilen wir den Spektrumsbereich in 256 Einheiten zu je 10 KHz auf (eigentlich 9766 Hz, aber wir vereinfachen die Zahlen, um die Berechnungen anschaulicher darstellen zu können). Dies wird mit einem Programm namens "Splitter" durchgeführt. Diese Einheiten zu je 10 KHz sind nun vom Umfang her besser zu bewältigen. Um Signale bis zu 10 KHz registrieren zu können, muss man die Einheiten mit einer Rate von 20'000 Samples/s (kbps) abtasten → Nyquist-Frequenz. Wir senden euch rund 107 Sekunden von diesen 10 KHz (20kbps) Daten. 100 Sekunden mal 20'000 bits ergeben 2'000'000 bits, oder rund 0.25 Mbyte (8 bits = 1 byte). Diese 0.25 Mbyte Daten Einheiten nennen wir wie bereits erwähnt "work-units". Wir senden euch noch viele zusätzliche Informationen über die work-unit, die schlussendlich 340 kbytes Daten umfasst.


Wie euch die Daten zugesandt werden

SETI@home baut nur dann eine Internet-Verbindung auf, wenn Daten transferiert werden müssen - sprich, sobald der Bildschirmschoner die Analyse einer "work-unit" abgeschlossen hat und er die Resultate zurücksenden, sowie eine neue work-unit anfordern möchte. Dies geschieht nur mit eurer ausdrücklichen Erlaubnis. Das heisst, ihr könnt kontrollieren, wann euer Computer eine Verbindung zu uns aufbaut. Ihr könnt hingegen auch die Option wählen, dass der Bildschirmschoner die Daten automatisch zu uns transferieren kann, sobald er die Analyse der aktuellen work-unit beendet hat. Die Datenübermittlung dauert bei den meisten Modems weniger als 5 Minuten. Zudem wird die Verbindung unterbrochen, sobald alle Daten transferiert sind.

Mit Hilfe einer riesigen Datenbank wird von Berkely aus überwacht, wo sich die jeweiligen Work-Units gerade befinden. Obwohl sich die Daten der einzelnen Einheiten geringfügig überschneiden (um sicher zu gehen, dass keine Informationen verloren gehen), werden niemals zwei Leute dieselbe work-unit erhalten. Wenn man uns die analysierten units übermittelt, werden diese zurück in die Datenbank transferiert, und als "erledigt" vermerkt. Unsere Computer suchen nach einer neuen, zu verarbeitenden work-unit und senden sie euch zu (in der Datenbank erhält die entsprechende unit den Vermerk "in Bearbeitung"). Wenn wir während eines längeren Zeitraums nichts mehr von Euch hören, gehen wir davon aus, dass ihr uns im Stich gelassen habt (und hey, dann solltet ihr euch wirklich schuldig fühlen! Oh ja!!), und werden die von euch nicht verarbeitete work-unit möglicherweise jemand anderem übermitteln.


Wonach sucht SETI@home?

Also, ihr wollt wissen, welche Aufgaben ihr für uns übernehmt? Wonach genau ihr in den Daten-Paketen sucht? Die Antwortenauf diese Fragen erhaltet ihr, indem ihr fragt, welche Signale wir von Ausserirdi- schen zu empfangen erwarten. Wir vermuten, dass sie die Signale auf die für sie effizienteste - und für uns am einfachsten aufzuspürendste- Weise senden würden. Nun wäre es ja nicht sonderlich effizient, eine Nachricht auf zu vielen verschiedenen Frequenzen zu senden, da der Energieverbrauch zu gross ist. Wenn man sich jedoch darauf beschränkt, die gesamte zur Verfügung stehende Energie dazu zu verwenden, eine Botschaft auf einem sehr schmalen Frequenzspektrum (schmaler Bandbreite)zu übermitteln, dann ist das Signal leichter von Hintergrund-Geräuschen zu trennen. Dies ist insbesondere in Anbetracht der Tatsache wichtig, dass "sie" vermutlich sehr weit entfernt sind und das Signal somit schon sehr schwach wäre, bis es uns erreichen würde. Wir suchen daher nicht nach einem Breitband-Signal (verstreut über mehrere Frequenzen), sondern nach einer bestimmten Einstellung, wie bei der Radio-Kanalsuche, und beobachten die Signalmesswerte. Nimmt die Signalstärke zu, so sehen wir uns die Sache genauer an.

Ein anderer Faktor, der uns hilft lokale Signale(die irdischen Ursprungs sind oder die von Satelliten ausgehen) auszusondern,ist, dass Signale lokaler Quellen mehr oder weniger konstant sind. Sie behalten ihre Intensität im Verlauf der Zeit. Andererseits ist die Position des Arecibo Teleskops fix (es lässt sich nicht schwenken). Wenn SETI@home in Betrieb ist, lokalisiert das Teleskop die Sterne nicht. Aus diesem Grund, "zieht" der Himmel am Brennpunkt des Teleskops vorüber. Es dauert etwa 12 Sekunden, bis das Objekt den Fokus der Teleskopschüssel (oder den "Zielstrahl") passiert hat. Wir erwarten daher, dass ein Signal ausserirdischen Ursprungs während dieser 12-Sekunden-Periode zuerst lauter und dann leiser wird. Auf der Suche nach solchen 12-Sekunden "gauss'schen" Signalen, senden wir euch rund 100 Sekunden Daten. Um sicher zu gehen, dass keine wichtige Signale verloren gehen, haben wir es so eingerichtet, dass sich die Daten der einzelnen Einheiten (Units) geringfügig überschneiden.

Diese Grafik (stellvertretend für die Grafiken weiter unten) zeigt den Zeitverlauf auf einer X-Achse (horizontal). Die vertikale Y-Achse repräsentiert die Frequenz oder Höchststärke des Signals. Im Beispiel sieht man ein Breitband-Signal - über viele unterschiedliche Frequenzen. Beachtet das Signal, das links schwach beginnt, und gegen rechts stärker(heller) wird. Nach 6 Sekunden erreicht es in der Mitte der Grafik die maximale Stärke und flacht über die nächsten 6 Sekunden stetig ab. Wir erwarten, dass ein ausserirdisches Signal, so es denn von den Empfangsantennen des Teleskops eingefangen wird, genau so gemessen werden würde. Leider suchen wir aber nicht nach Breitband-Signalen.So würde wahrscheinlich das Signal eines Sterns oder einer natürlichen astronomischen Quelle aussehen. Breitband-Quellen sind daher ausgeschlossen.

Dies entspricht schon eher dem, was wir suchen. Hier seht ihr ein Signal innerhalb eines wesentlich schmaleren Frequenzspektrums.  
Es wird ebenfalls stärker und schwächer über eine 12 Sekunden-Periode. Wir wissen nicht, wie schmal die Bandbreite sein wird, daher suchen wir Signale auf verschiedenen Bandbreiten.

Es ist unwahrscheinlich, dass die Position unserer zwei Planeten- systeme zueinander konstant / unbewegt bleibt. 
Deshalb muss aufgrund unserer relativen Bewegung mit einem veränderlichen Signal ("doppler shifting") oder einem Frequenz- Wechsel gerechnet werden.Dies bedeutet, dass die Frequenz des Signals innerhalb der 12 Sekunden leicht steigen oder fallen kann. Diese Signale nennt man "chirped signals". Auch nach diesen werden wir Ausschau halten. 

Natürlich werden wir auch nach veränderlichen ("doppler shifting") Signalen suchen, die Impulse aufweisen!

Sonderabsatz: Mehr Details zur Analyse

Die SETI@home Software sucht nach Signalen die rund 10 mal schwächer sind als die, nach denen man mit SERENDIP IV in Arecibo sucht, weil sie einen kalkulations- intensiven Algorithmus verwendet, "kohärente Integration"genannt. Niemand sonst (das SERENDIP-Programm eingeschlossen) konnte die notwendige Computer- Rechenkapazität aufbringen, um diese Methode anwenden zu können. Euer Computer führt eine FastFourier Transformation der Daten durch - sucht dabei die stärksten Signale bei verschiedenen Kombinationen von Frequenz, Bandbreite und Chirp-Raten.Die folgenden Schritte werden bei jeder der Work-Units vollzogen, die ihr von uns erhaltet.

Betrachten wir als erstes den kalkulations-intensivsten Teil der Berechnung. Das "ent-chirpen" der Daten ist der erste Schritt - das heisst, dass alle Effekte der doppler Beschleunigung entfernt werden. Bei der feinsten Auflösung müssen wir dies insgesamt 5000 mal tun, von -5 Hz/sek bis +5 Hz/sek in Abständen von .002 Hz/sek. Bei jeder Chirp-Rate werden die 107 Sekunden Daten ent-chirped und dann in 8 Einheiten zu je 13.375 Sekunden geteilt. Jede 13.375 Sekunden Einheit wird dann auf einer Bandbreite von .07 Hz nach Höchstwerten ("peaks") durchsucht (ergibt 131'072 Tests (Frenquenzen) per Einheit und per Chirp-Rate!). Das sind ziemliche VIELE Kalkulationen! Während dieses ersten Schrittes stellt euer Computer über 100 Milliarden Berechnungen an!

Aber noch sind wir nicht fertig, wir müssen noch andere Bandbreiten testen. Der nächste Schritt führt zu einer Verdopplung der Bandbreite von 0.15 Hz. Angefangen bei dieser Bandbreite, verdoppeln wir den chirp-Bereich und untersuchen Chirp-Raten von -10 Hz/sek bis +10 Hz/sek. Obwohl dies den Bereich verdoppelt, müssen wir nur 1/4 der Anzahl Raten prüfen- aufgrund der Erweiterung der Bandbreite. So haben wir zwei mal den Chirp-Bereich multipliziert mit der Anzahl Chirps. Ihr seht, wir enden damit, dass wir und die Hälfte der Arbeit dessen erledigen, was wir oben bei der am feinsten aufgelösten schmalen Bandbreite taten, oder umgerechnet rund 50 Milliarden Kalkulationen. Ein Kinderspiel...
 

Der nächste Schritt verdoppelt die Bandbreite ein weiteres Mal (von 0.15 auf 0.3 Hz) und reduziert erneut die chirps um 1/4. (Wir behalten den -10 Hz/sek bis +10 Hz/sek chirp-Bereich für den Rest der Kalkulationbei). Dieser und alle folgenden Schritte machen jeweils 1/4 der Berechnungendes vorangegangenen Schrittes aus. In diesem Fall nur 12.5 Milliarden Kalkulationen. Dies geht so weiter bis zu einem Total von 14 Bandbreiten-Verdopplungen (0.07, 0.15, 0.3, 0.6, 1.2, 2.5, 5, 10, 20, 40, 75, 150, 300, 600 und 1200Hz), die ein Schlusstotal von wenig mehr als 175 Milliarden Rechenvorgängen pro 107 Sekunden Daten ergeben. Wie ihr seht, erledigen wir die meiste Arbeit auf der schmalsten Bandbreite (rund 70 % der Arbeit). Zu guter Letzt werden Signale die bei einer bestimmten Kombination von Frequenz, Bandbreite und Chirp einen hohen Messwert aufweisen, auf die Möglichkeit untersucht, dass deren Ursprung terrestrische Interferenzen sein könnten. Nur wenn die Potenz innerhalb der 12 Sekunden Periode steigt und fällt (die Zeit die das Teleskop benötigt um einen Ausschnitt des Himmels zu passieren) besteht eine Chance, dass es sich um ein ausserirdisches Signal handelt. (Anmerkung von aendgraend: Der folgende Absatz stammt aus der originalen Übersetzung von 1999) Wieviel Zeit sollten diese Berechnungen in Anspruch nehmen? Ein durchschnittliches, aktuelles Model eines PC's mit angemessener Rechenkapazität (CPU mitrund 233 MHz) benötigt etwa 24 Stunden um eine work-unit zu bearbeiten. Dies setzt voraus, dass der Computer NUR an SETI@home arbeitet, und dass ihr nicht nebenher noch euer Lieblingsspiel spielt.  Zu eurer Information: wir erhalten täglich über 200'000 work-units pro Tag!

Jetzt wisst Ihr, weshalb wir eure Hilfe benötigen!


Was geschieht, wenn mein Computer E.T. entdeckt?

Bevor wir zu der Stelle kommen bei der wir das "was passiert" behandeln, müssen wir euch über den "was wenn"-Teil informieren. Das wichtigste das ihr über die Daten und die Resultate wissen müsst ist, dass es UNZÄHLIGE Quellen für Radio-Signale gibt. Viele stammen von der Erde selbst - von Fernsehsendern, Radar oder vielen anderen Mikrowellen-Transmittern. Auch Satelliten und andere astronomische Objekte können die Ursache für solche Signale sein. Zudem gibt es eine Art "Test-Signale", die vorsätzlich in das System infiltriert werden, damit das SETI@home Team kontrollieren kann, ob die Hardware und die Software während allen Arbeitsprozessen einwandfrei laufen. Das Arecibo Radio Teleskop wird alle Signale auffangen, und dann häppchenweise an Euren Bildschirmschoner senden. Das Radio Teleskop achtet nicht auf die unterschiedlichen Signale (unterscheidet sie nicht), genausowenig wie Euer Ohr darauf achtet, welche Töne und Geräusche es registriert. Euer Bildschirmschoner wird Quellen suchen/aussieben, die Signale senden, die lauter als die Hintergrundgeräusche sind, und die innerhalb einer 12-Sekunden-Periode an- und wieder abschwellen - der Zeitraum den das Teleskop benötigt, um einen bestimmten Ausschnitt des Himmels zu durchstreifen.

Jegliches Signal, das den Suchkriterien entspricht, wird an das Berkeley SETI@home Team zur weiteren Analyse zurückgesandt. Das SETI@home Team unterhält eine umfangreiche Datenbank mit bekannten Quellen von Radio-Frequenz Interferenzen (RFI). Diese Datenbank wird regelmässig aktualisiert. An dieser Stelle werden 99.9999% aller Signale die Euer Bildschirmschoner entdeckt haben wird als RFI erkannt und eliminiert. Auch Test-Signale werden an diesem Punkt entfernt.

Die verbleibenden, nicht sogleich zuzuordnenden Signale werden dann mit einer anderen sich im selben Himmelsabschnitt befindlichen Beobachtung gegengecheckt (dieser Vorgang wird im Film "Contact" ziemlich dramatisch und nicht gerade voll realistisch dargestellt - aber er gibt Anhaltspunkte). Dieser Vorgang könnte bis zu 6 Monaten dauern, da das SETI@home Team keine Kontrolle über das Teleskop ausüben kann. Wenn das Signal bestätigt wird, wird das SETI@home Team die erforderliche Teleskop-Zeit beantragen und die interessantesten Kandidaten erneut beobachten.

Wenn ein Signal mehr als zwei mal oder mehr kontrolliert wurde, und es sich nicht als ein RFI oder Test-Signal herausstellt, wird das SETI@home Team eine andere Forschungsgruppe darum bitten, einen Blick auf das Signal zu werfen. Solch eine andere Gruppe wird nicht dieselben Teleskope, Empfänger, Computer, etc. benutzen. So sollte möglich sein, dass man danach eine Fehlfunktion unserer Geräte oder unseres Computer Codes (oder den Streich eines cleveren Studenten) ausschliessen kann. Zusammen mit diesem anderen Team, wird SETI@home interferometrische Messungen durchführen (dazu benötigt man zwei sehr weit von einander entfernt liegende Observatorien). Diese Messung kann bestätigen, ob die Quelle des Signals in interstellarer Entfernung liegt.

Wenn die Bestätigung erfolgte, wird SETI@home eine Bekanntgabe in Form eines IAU (International Astronomical Union) Telegrams machen. Dies ist das Standard- Vorgehen, wenn man die astronomische Gemeinschaft über wichtige Entdeckungen informiert. Das Telegram enthält alle wichtigen Informationen (Frequenzen, Bandbreite, Himmelsposition etc.), die andere astronomische Gruppen benötigen, um die Observation bestätigen zu können. Die Person(en), die das Signal mit ihrem Bildschirmschoner gefunden hat, wird dann, zusammen mit den anderen Mitgliedern des SETI@home Teams, namentlich als Mitentdecker genannt werden. Zu diesem Zeitpunkt wäre immer noch nicht gewiss, ob das Signal von einer intelligenten Zivilisation oder von einem neuen astronomischen Phänomen stammt.

Alle Informationen zur Entdeckung werden dann publik gemacht, ev. über das Web. Kein Land oder kein Individuum wäre berechtigt, die Frequenz, auf der das Signal observiert wird, zu blockieren. Da das Objekt von jeder Stelle aus gesehen auf- und untergeht, werden Observationen von Radio-Teleskop-Anlagen rund um die Welt notwendig. Dies wird notgedrungen eine multi-nationale Zusammenarbeit. Auch die so gewonnenen Erkenntnisse werden publiziert.

Die offizielle Declaration of Principles Concerning Activities Following the Detection of Extraterrestrial Intelligence ("Deklaration der Prinzipien betreffend der Aktivitäten zur Entdeckung ausserirdischer Intelligenz") könnt ihr einlesen, indem ihr diesen Link anklickt..

Aufgrund dieses Protokolls ist es äusserst wichtig, dass Teilnehmer des SETI@home Projekts nicht vor lauter Aufregung, weil sie Signale auf ihrem Bildschirmschoner entdecken, gleich ein Kommuniqué herausgeben oder eine Pressekonferenz einberufen. Das könnte dem Projekt ausserordentlichen Schaden zufügen. Es ist wichtig, dass wir selbst, während unsere Computer beim "büffeln" der Daten heiss anlaufen, einen kühlen Kopf bewahren. Wir können aber alle hoffen, dass wir diejenigen sein werden, die dazu beitragen Signale irgendeiner ausserirdischen Zivilisation zu empfangen, die versucht "nach Hause zu telefonieren"...