![[Home]](/~megera/oddmuse/zen3.gif)
4.1.Фундаментальная научная проблема, на решение которой направлен проект
Проект направлен на решение актуальных для современной астрофизики проблемы – развитие глобальной Виртуальной Обсерватории и ее Российского национального сегмента, разработка новых методов для Виртуальной Обсерватории.
4.2.Конкретная фундаментальная задача в рамках проблемы, на решение которой направлен проект
Проект нацелен на решение реальных астрономических задач с помощью методов Виртуальной Обсерватории (ВО), на исследование возможностей ВО для решения типичных задач астрономии и интегрирования российской астрономии в международное сообщество.
4.3. Методы и подходы; общий план работ
В настоящее время в астрономии происходит лавинообразный рост объема наблюдательных данных. Создано много больших разнородных цифровых архивов данных и даже во многих случаях организован сетевой доступ к ним. Однако, использование этих данных весьма затруднительно из-за несогласованности описаний данных, обозначений, единиц измерений. Практически любому астроному известна ситуация, когда приходится тратить большое количество времени и усилий на получение данных и приведение их в единообразный вид. Для решения проблемы интегрированного использования астрономических данных научное сообщество разрабатывает новый подход к работе с ними - создание глобальной Виртуальной Обсерватории как совокупность стандартов на описание данных, протоколов доступа к ним и набора информационных технологий для анализа и обработки астрономических данных любого рода.
Основной целью данного проекта является во временных рамках одного гранта создать в ГАИШ действующий прототип узла ВО, наполнить его оригинальными данными и провести ряд научных исследований, требующих использования методов ВО. Для достижения этой цели требуется выполнения следующих задач:
1. Научные задачи:
2. Технические задачи:
Приведение ряда каталогов в готовый для использования в ВО вид (VO-ready):
3. Программно-технологические задачи
4. Организационные задачи
Описание научных задач.
Все перечисленные ниже задачи связаны с исследованиями, которые ведутся участниками данного проекта в рамках плановых тем ГАИШ, часть которых поддержана грантами (РФФИ и др.). К данному проекту были отнесены задачи, решение которых без использования средств ВО было бы крайне затруднительно.
а) Поиск одиночных нейтронных звезд
В современной астрономии актуальной задачей, требующей для своего решения возможностей, предоставляемых Виртуальной обсерваторией, является выделение по большому комплексу критериев групп объектов из массива наблюдательных данных. Несколько групп объектов зачастую являются трудноразличимыми в рамках одного каталога, и только применение сложного набора ограничений, использующего данные наблюдений на разных частотах, может позволить идентифицировать объекты, принадлежащие к различным классам.
Критериями могут быть потоки (величины) в разных диапазонах спектра (цвета), свойства переменности, наличие спектральных деталей (завалы в спектрах, скачки и т.п.).
Создание программы-идентификатора, в которой критерии могли бы изменяться, и которую можно было бы применять к совершенно разным группам объектов, дало бы в руки астрономов мощнейший инструмент, по работе с наборами разнотипных каталогов. Такой инструмент позволил бы решать актуальные задачи по поиску интересных слабых объектов в данных каталогов.
Хорошим примером подобной задачи является выделение одиночных нейтронных звезд в данных спутника РОСАТ (ROSAT). Данные спутника могут содержать два класса близких нейтронных звезд: молодые остывающие (несколько объектов этой группы, т.н. "Великолепная семерка" уже найдены) и старые аккрецирующие (эти объекты пока еще не обнаружены). Источники в первую очередь характеризуются мягким спектром в рентгеновском диапазоне и очень большим отношением рентгеновского потока к потоку в оптике. Соответственно, поиск обычно ведется в т.н. пустых полях, т.е. среди источников РОСАТ без оптического отождествления. Похожими свойствами обладают и совершенно иные классы объектов, в первую очередь активные ядра галактик (особенно лацертиды). Разделение двух классов объектов требует применения комплекса критериев.
Кроме того, поиски чрезвычайно затруднены вблизи галактической плоскости где, как показывают расчеты, и должна находиться основная масса одиночных нейтронных звезд. Связано это с большим количеством источников на единичную площадку неба, что чрезвычайно затрудняет поиски.
Обнаружение новых молодых остывающих нейтронных звезд представляет собой чрезвычайно актуальную задачу в связи с тем, что эти источники могут дать новую важную информацию по остыванию компактных объектов а, следовательно, и по внутреннему строению нейтронных звезд. Поэтому неудивительно, что несколько групп в мире проводят поиск таких объектов, однако никто из них не использует большого комплекса критериев (т.е. обычно просто выделяются источники РОСАТ в пустых полях, а затем ведется индивидуальная работа с каждым из многочисленных кандидатов; уменьшение числа кандидатов при использовании многопараметрического поиска позволило бы существенно эффективнее обнаруживать новые одиночные нейтронные звезды).
Обнаружение одиночных аккрецирующих нейтронных звезд внесло бы существенный вклад в исследование магнито-вращательной эволюции этих объектов (а также, вероятно, в исследование межзвездной среды). По сути был бы открыт целый новый класс нейтронных звезд.
б) Статистическое исследование сверхновых звезд
Исследования пространственного распределения сверхновых (СН) позволяют получить важную информацию о природе предсверхновых и путях эволюции, ведущих к вспышкам СН. Это исследование важно также для оценки надежности использования СН для определения шкалы расстояний и космологических параметров. Недавно проведенные исследования радиального распределения СН (Цветков и др., ПАЖ 30, 803, 2004) дали несколько неожиданных результатов, которые необходимо проверить на большем статистическом материале.
Планируется осуществить исследование пространственного распределения СН в галактиках, которое впервые будет объединять три вида распределений: радиальное, по высоте над плоскостью галактик и относительно индикаторов недавнего звездообразования (спиральные рукава, зоны HII, OB-ассоциации). Будут исследованы соотношения между фотометрическими и спектральными характеристиками - абсолютной величиной в максимуме блеска и в точке поворота для СН Ia, скоростью падения блеска на различных фазах эволюции в различных фотометрических диапазонах, скоростью расширения оболочки, определяемой по линиям поглощения - и положением СН в галактике.
Решение этих задач требует приведения созданных в ГАИШ каталога СН и каталога кривых блеска СН в форму, совместимую со стандартами ВО, и создания Вебсервиса для обработки запросов к этим каталогам и каталогам галактик. Необходимо разработать методы доступа к изображениям галактик, определения параметров спиральной структуры и положения СН относительно спиральных ветвей и областей звездообразования. Отметим, что это позволит работать и с синтетическими кривыми блеска СН и получать данные о предсверхновых.
в) Исследование эволюции звездного населения в близких галактиках
Одна из актуальных задач современной астрофизики - понять формирование и эволюцию галактик и обилия тяжелых элементов во Вселенной.
Для решения этой задачи большое значение имеет интерпретация звездного состава галактик в современной Вселенной в рамках глобального сценария эволюции галактик и обилия тяжелых элементов во Вселенной.
Большинство галактик сформировалось 6-15 млрд. лет назад и последующие поколения звезд сформировали обогащенную металлами материю которую мы наблюдаем в настоящее время. Считается, что эффективность звездообразования достигла максимума в районе z=1, а затем ослабела на низких красных смещениях до спокойного темпа звездообразования, наблюдаемого в близких галактиках. Однако, многие объекты на z=1 уже выглядят "старыми", указывая на то, что история звездообразования испытывает сильные вариации и отмечена возможно многочисленными, короткими вспышками звездообразования. К тому же, наблюдаемые далекие галактики оказываются довольно бедны металлами, и обычно беднее, чем предполагается моделями обогащения. Таким образом, либо половина (по количеству) всех элементов, тяжелее гелия сформированы в локальной Вселенной (z<1), либо наблюдения далеких галактик систематически смещены в сторону бедных металлами объектов за счет эффектов селекции.
Мы предлагаем изучить историю звездообразования в близких галактиках посредством анализа их звездного населения. Звездное население хранит уникальный "отпечаток" истории звездообразования в галактиках, и было показано (Ocvirck et al. 2004, 2005) что эта информация за несколько последних миллиардов лет может быть восстановлена, используя спектры, интегрированные вдоль луча зрения. Большое количество спектров подходящего качества доступно в рамках виртуальной обсерватории.
Разработан прототип метода (Chilingarian et al. 2005, Prugniel et al. 2005), использующий параметрическую инверсию спектров на основе моделей звездного населения с высоким спектральным разрешением PEGASE-HR (Le Borgne et al. 2004). Данный метод позволяет довольно точно восстанавливать параметры вспышек звездообразования для спектров, полученных в оптическом диапазоне (4200-6800 нм) с относительно низким отношением сигнал/шум (20-50) и умеренным спектральным разрешением (R=2000-4000).
В рамках проекта предполагается на основе прототипа метода создать гибкий программный пакет для анализа звездного населения и реконструкции внутренней кинематики и предоставить к нему доступ как к общедоступному компоненту для обработки данных (виртуальному инструменту) в виртуальной обсерватории.
Для реализации поставленной задачи требуется продолжение работ в области стандартизации описаний и методов доступа к многомерным спектральным данным в виртуальной обсерватории. Необходим большой объем технических работ по приведению программного обеспечения в форму, пригодную для интеграции в ВО.
г) Поиск и классификация переменных объектов в оцифрованном архиве стеклянной библиотеки ГАИШ
За период более 100 лет (с 1895 по 1998 гг.) на нескольких телескопах было получено более 46000 пластинок (поле зрения от 0.6 до 20 градусов, предельная звездная величина от 13 до 19). В настоящее время осуществляется сканирование пластинок с разрешением до 14000 dpi. Требуется обеспечить доступ к данным в соответствии со стандартами ВО. Необходимо разработать методики отождествления объектов на отсканированных изображениях, сопоставления отождествленных объектов с каталогами, выделения переменных и транзиентных источников. Для нескольких полей с наибольшим временным покрытием предполагается провести поиск необнаруженных ранее транзиентных источников (сверхновые, гамма-всплески) и переменных звезд.
Следует отметить, что в рамках этой задачи планируется создание единого хранилища изображений, как для "стеклянной библиотеки" ГАИШ, так и для изображений, получаемыми наблюдателями с помощью ПЗС-камер. Это актуально так как массовые наблюдения с помощью фотографических пластинок прекратились уже достаточно давно, а результаты наблюдений с ПЗС-камерами, сменившие их, в основном хранятся у самих наблюдателей и/или людей их обрабатывающих в рамках своей исследовательской программы. Общего реестра самих исходных изображений или хотя бы информации об отнаблюденных площадках чаще всего не бывает даже в рамках одного института. Хранение "сырых" (raw) изображений на рабочих станциях самих наблюдателей ограничивается часто объемом дисков и, иногда, приводит к потерям из-за сбоев жестких дисков. Кроме того, единое хранилище позволит использовать единые форматы описаний метаданных изображений и позволит разрабатывать программы обработки и поиска объектов, не привязанные к конкретным камерам.
д) Исследование эволюции цефеид
Планируется изучение эволюции цефеид на основе анализа данных всех наблюдений за период 150 лет. Уникальный материал включает оригинальные наблюдения и компиляцию всех доступных результатов, приведенных к единой системе. Исследование изменения периодов цефеид на таком временном отрезке предоставляет практически единственную возможность наблюдательной проверки теории звездной эволюции.
Программно-технологические и технические задачи.
В рамках проекта будет создана полная реализация узла ВО (SkyNode) для свободно распространяемой реляционной базы данных PostgreSQL, что включает как поддержку языка запросов ADQL (с конвертацией в диалект языка запросов SQL для PostgreSQL), так и методы доступа к очень большим каталогам на основе оригинальных алгоритмов (pgSphere, Q3C). Базы данных (оригинальные каталоги), созданные в процессе работы, будут открыты для всего международного сообщества через стандартные интерфейсы (веб браузер), так и для доступа программ, использующих стандарты ВО. Учитывая, что существующие технологии, в основном, используют коммерческое матобеспечение, наша работа является уникальной и чрезвычайно важной, так как повышает уровень доступности и открытости методов ВО, что очень важно для России.
План создания и использования подобного узла ВО выглядит следующим образом:
1. Данные (каталоги) приводятся в соответствие со стандартами ВО и вносятся в базу данных (БД).
2. Разрабатывается специальная программа - Вебсервис (Webservice), которая выполняет следующие действия:
3. Для использования данных узла ВО (и ВО в целом) пишется приложение (программа), которое нацелено на решение конкретной научной задачи. Приложение осуществляет доступ данных через общение с Вебсервисом.
Таким образом, достигается необходимый уровень абстракции, помогающий работать с данными на логическом уровне, не заботясь о физическом хранилище и доступе к ним. Заметим, что этот же уровень абстракции доступен любому клиенту, будь он ученым, пишущий приложение, веб-браузером, который через CGI-интерфейс обращается к Вебсервису, или даже программой, которой требуются данные. Это позволяет автоматизировать многие рутинные и объемные задачи.
В результате мы будем иметь ряд каталогов и Вебсервисов, зарегистрированные в специальной службе Регистр (Registry), используя которые, можно решать различные задачи. Отметим, что можно использовать набор Вебсервисов для решения сложных задач, требующие разные данные и приложения, причем эти Вебсервисы могут быть не только локальными, разработанными нами, но и удаленными, разработанными в других проектах. Стандарты ВО гарантируют доступность данных и возможность их использования для научной работы независимо от того, где физически находятся эти данные.
Общий план работы на 2006-2008 гг.
1. Используя свободно-распространяемые (Open Source) программные продукты (ОС Linux, СУБД PostgreSQL и т.п.) разработать программное обеспечение узла сети ВО (SkyNode). Это ПО должно выполнять следующие функции:
2. На основе разработанного матобеспечения создать инфраструктуру узла ВО, которая будет использоваться для всех работ по проекту.
3. Привести ряд каталогов в соответствие со стандартами ВО (названия колонок должны подчиняться стандарту UCD, размерности должны быть стандартизованы, и т.д.) и импортировать их в СУБД PostgreSQL.
Первая очередь каталогов:
Вторая очередь каталогов и архивов:
4. Провести решение ряда научных задач с использованием средств ВО:
5. Важной частью нашей работы является участие в конференциях (российских и международных) для представления результатов нашей работы, обсуждения и координации усилий по разработке новых алгоритмов и технологий ВО с другими группами. Также, предполагается подготовка семинаров (tutorials), где в интерактивном режиме будут продемонстрированы методы ВО на примере решения конкретных научных задач. На сервере "Астронет" предполагается публикация ряда популярных статей о ВО и результатах наших исследований.
6. Ряд технологических результатов (программные пакеты) мы планируем сделать доступными для всего сообщества, в частности, поддержка СУБД PostgreSQL и алгоритмы быстрого доступа к астрономическим каталогам в реляционных БД.
4.4. Ожидаемые в конце 2006 г. результаты
4.5. Современное состояние исследований, сравнение ожидаемых результатов с мировым уровнем
По мере резкого увеличения количества астрономических данных в 90-х годах прошлого века возникла необходимость стандартизации способов их распространения и обработки. В конце 90-х крупные центры астрономических данных (CDS (Франция), CaDC (Канада), STScI (США), и т.д.) предложили начать разработку стандартов для доступа к астрономическим данным. Основная цель - оптимизировать доступ, обработку и анализ данных с целью получения максимальной научной отдачи. В 2002-м году был образован Международный Альянс Виртульной Обсерватории (IVOA, International Virtual Observatory Alliance), объединивший национальные у международные ВО проекты. Главная миссия IVOA - разработка, утверждение и распространение стандартов для всех типов астрономических данных и средств их обработки и анализа, что осуществляется в рабочих группах (Working Groups: Data Models, Data Access Layer, Registry, VO Query Language, VOTable, UCD, Grid & Web Services, VO Event). Дополнительные обсуждения осуществляются в группах по интересам (Interest Groups: Applications, Theory, Data Curation & Preservation, Global Grid Forum interaction).
Основные члены IVOA (в порядке вклада в развитие) - Euro-VO (включает Astrogrid, CDS, ESA, ESO и национальные ВО проекты в Европе), NVO или USVO (США), JVO (Япония), VO-i (Индия), Aus-VO (Австралия), CVO (Канада) и другие организации. Два раза в год проходят конференции IVOA - Interoperability Meetings - предназначенные для личного общения членов рабочих групп и утверждения стандартов.
Виртуальная Обсерватория - новая концепция организации доступа к астрономическим данным любого рода и средствам для их обработки и анализа в современной эре развития информационных технологий.
На сегодняшний день в технологической структуре ВО можно выделить три основные части:
Основные результаты, достигнутые средствами виртуальной обсерватории можно разделить на две основных группы - технологические и научные.
Научные результаты - массовое открытие запыленных квазаров (Padovani et al. 2004, A&A, 424, p.545), массовое открытие звезд на промежуточном этапе между post-AGB и планетарными туманностями (Solano et al., in preparation).
Технические и технологические результаты - создание универсального описания различных астрономических данных, представленных в каталогах (Unified Content Descriptors, UCD), создание основанного на XML стандарта для обмена астрономическими данными (VOTable), создание стандартных способов доступа к изображениям (Simple Image Access Protocol) и спектрам (Simple Spectral Access Protocol). Основным результатом для общественности является появление десятков архивов, предоставляющих доступ к данным через стандартные интерфейсы (например, приложение Aladin, разработанное в CDS)
К 2007-му году планируется полный переход крупных архивов (ESO, Gemini, MAST - Multimission archive at Space Telescope, SDSS) на работу с ВО интерфейсами. Доступ к данным с инструментов следующих поколений на VLT (ESO) будет осуществляться исключительно с помощью средств ВО, поскольку многотерабайтные пакеты данных довольно проблематично передавать по каналам связи.
Проект создания Российской Виртуальной Обсерватории (РВО, http://www.inasan.ru/rus/rvo/) начал осуществляться в 2002 году. За прошедший период в рамках РВО была проведена большая организационная работа, представители РВО вошли в различные комиссии ВО, принимали участие в обсуждении и разработки стандартов. К сожалению, к настоящему времени, реальных научных результатов в рамках РВО получено не было, что частично объясняется как слабой информированностью российского астрономического сообщества относительно целей и задач ВО в целом, и РВО в частности, так и недостаточной технологической базой на данный момент. В настоящее время ведется организационная работа, однако ни одного действующего узла ВО в России до сих пор не существует.
Настоящий проект нацелен на получение, в первую очередь, реальных научных результатов с помощью методов ВО, что включает в себя решение как организационных, так и технологических задач. Мы считаем, что только таким способом можно показать реальные возможности ВО для решения типичных научных задач астрономии и интегрирования российской астрономии в международное сообщество.
Следует отметить, что несмотря на очевидный успех в понимании целей и задач ВО в международном астрономическом сообществе, существуют трудности в выработке технологических решений, при этом зачастую игнорируются наработки в смежных науках, таких как ядерная физика, которая давно и успешно использует технологию распределенных вычислений, доступной для свободного использования. Не следует забывать, что именно в ядерной физике (CERN) родилась идея всемирной паутины и сейчас существует международный веб-консорциум (W3C,http://www.w3.org/), который занимается выработкой стандартов для облегчения представления и поиска информации с тем, чтобы информация была доступна не только для человека, но и для интеллектуальных агентов (семантический веб,http://www.semanticweb.org/). Отметим, что эти идеи очень сильно перекликаются с целями и задачами ВО и, очевидно, что астрономия вполне могла бы использовать эти стандарты и технологические наработки.
3. Сравнение ожидаемых результатов проекта с мировым уровнем
Планируемые результаты решения как технологических, так и научных задач данного проекта (см. п. 4.3) находятся на уровне лучших достижений национальных проектов ВО. Алгоритмы cone search и XMATCH для работы с очень большими каталогами в реляционных СУБД являются уникальными и высокопроизводительными.
4.6. Имеющийся у коллектива научный задел по предлагаемому проекту: полученные ранее результаты (с оценкой степени оригинальности), разработанные методы (с оценкой степени новизны)
4.7.1. Публикации
4.7.2. Публикации руководителя
4.8. Перечень оборудования и материалов, имеющихся у коллектива для выполнения проекта
Коллектив располагает следующим оборудованием:
4.9. Перечень оборудования и материалов, которые необходимо дополнительно приобрести, изготовить или отремонтировать для успешного выполнения проекта. Обосновать необходимость и указать стоимость в ценах на 1 мая 2005 г. (в руб.)
