Кого слушает президент

Астрономия на диване

Новые методы работы с астрономическими наблюдениями

Лектор: (none) 29.12.2009, 12:01
astrolandofoz.com

Под конец 2009 года, который был объявлен ООН международным годом астрономии, научный сотрудник ГАИШ МГУ, кандидат физико-математических наук Иван Золотухин рассказывает об изменениях в процессе астрономических исследований, которые происходят в последние годы.


Через 400 лет после того, как Галилео Галилей впервые взглянул в телескоп на небо, ученые могут проводить исследования, не выходя из дома, используя свои персональные компьютеры и доступ к данным различных обсерваторий. Современная астрономия характеризуется тем, что одновременно небо наблюдается огромным количеством телескопов во многих диапазонах электромагнитного спектра. Темпы получения наблюдательных данных опережают темпы их обработки и научной интерпретации, соответственно, накапливается информация, до которой не дошли руки исследователей. Кроме того, даже если астроном, получив, например, изображение участка неба с интересным ему шаровым звездным скоплением на крупном телескопе, полностью его исследовал, это не означает, что эти данные больше никому не нужны — для другого исследователя, возможно, даже через многие годы это изображение будет чрезвычайно важно по еще не известным нам причинам, например, потому, что в этом же шаровом скоплении в рентгеновском диапазоне открыли двойную звезду с черной дырой. Но второму исследователю нужно как-то узнать про существующие данные для этого участка неба.

Соответственно, возникает следующая задача: создать условия для быстрого и удобного доступа к непрерывно получаемым огромным массивам наблюдательной информации, с помощью которой можно получать новые научные результаты, производить научные исследования без привлечения дополнительных наблюдений.

Если мы будем аккуратно складывать в одну гигантскую распределенную базу данных каждое новое изображение, каждый новый спектр и кривую блеска, если мы корректно организуем к ней доступ, создадим стандартные процедуры поиска данных и их обработки, у нас получится так называемый «синергетический эффект», когда новые глубокие научные выводы можно получить, объединяя и сопоставляя разнородные материалы многих наблюдательных центров и даже эпох.

Чтобы достичь этой цели, в астрономии возникла инициатива по обобщению наблюдательных данных и способов доступа к ним: ученые разных стран объединились для того, чтобы выработать единые стандарты работы с существующей астрономической информацией. Объединение получило название: альянс «Международная виртуальная обсерватория» (International Virtual Observatory Alliance). Фактически это технический орган, который осуществляет выработку стандартов и координацию центров данных и национальных организаций, занимающихся развитием идей и технологий в отдельных странах. Центры данных и обсерватории, структуры, которые занимаются хранением и распространением астрономической информации и реализуют принятые стандарты, программы для поиска и анализа данных, даже компьютеры пользователей — вся эта сложная среда, стремящаяся говорить на одном языке, и носит название Виртуальная обсерватория (сокращенно — ВО).

То есть, говоря буквально двумя словами, это некая виртуальная среда, объединяющая центры данных, компьютеры исследователей и научные программы, работающие на них.

Работает Виртуальная обсерватория следующим образом. Исследователь садится за свой компьютер, подключенный к интернету, и, используя простые и интуитивно понятные программы, получает доступ к наблюдениям, например, космического телескопа «Хаббл» за 2005 год или к массиву наблюдений на радиотелескопах, или к каталогам и обзорам, которые были получены в обсерваториях разных стран мира. Получить доступ к данным может любой человек, независимо от образования, в том числе и наши уважаемые читатели. Для этого нужно установить или запустить прямо из веб-браузера специальные программы, которые позволяют искать данные для конкретного участка неба в нужных диапазонах электромагнитного спектра. Например, если ваш браузер поддерживает Java, зайдите по ссылке и в запустившейся в окне браузера программе Aladin наберите имя интересующего вас объекта, например, M31 (Туманность Андромеды).

С недавних пор даже популярные астрономические программы, такие как Google Sky и Microsoft World Wide Telescope, предоставляют определенные возможности по поиску научных данных и взаимодействию с профессиональными программами. Главная составляющая — это красота и понятность процесса поиска каталогов, изображений, спектров и то, что все это возможно проделать на любом компьютере, подключенном к сети интернет.



В последнее время появляется все больше и больше научных работ, выполненных при помощи Виртуальной обсерватории. Например, это исследование Игоря Чилингаряна и его коллег, опубликованное в журнале Science и посвященное изучению популяции компактных эллиптических галактик, о которых «Газета.Ru» уже писала. До этой работы было известно всего шесть таких галактик, а в работе Чилингаряна их число было увеличено в 5 раз, благодаря чему удалось сделать важные выводы о механизме формирования этих малоизученных объектов.

В качестве другого примера можно упомянуть мою диссертацию, которая стала первой диссертацией в мире, выполненной на основе информации, доступной непосредственно с помощью Виртуальной обсерватории. В нее вошли несколько исследований совершенно разных астрофизических объектов, объединенных общим методом — использованием ВО: поиск новых рассеянных звездных скоплений в гигантских публичных обзорах звездного неба, оптическое отождествление рентгеновских двойных систем с нейтронными звездами и белыми карликами в архивных данных крупнейших мировых (в том числе космических) обсерваторий и обзорах звездного неба в лучах Hα, а также исследование цветов близких галактик в оптических и инфракрасных обзорах. Один из интересных примеров работы Виртуальной обсерватории — это поиск новых членов одной из самых малоизученных популяций звезд в нашей Галактике — ультракомпактных рентгеновских двойных.

Это важно для физики, потому что такие объекты должны являться источниками мощного гравитационного излучения.

Поиск оптических двойников этих объектов в существующих архивах оптических обсерваторий, среди наблюдений, выполненных когда-то с другими целями, позволяет сделать очень важные выводы о природе и физических свойствах этих интересных объектов, многие из которых содержат нейтронные звезды или черные дыры.

Большая часть трудоемких операций сейчас делается совершенно прозрачно просто потому, что все центры данных и разработчики программ для анализа данных договорились о единых стандартах хранения информации и доступа к ней. Значительная часть рутинных операций, например, преобразований между форматами или доступа к данным, сейчас не требуется вообще либо может быть проделана щелчками мышки. Стандартные интерфейсы доступа также предполагают автоматизированную работу с данными. Написав, например, программу для работы с одним каталогом звезд, вам не придется переделывать ее при появлении нового обзора другой обсерватории. Стоит отметить, что работа по созданию Виртуальной обсерватории еще далека от своего завершения и в ней не хватает многих технологий и механизмов работы с данными, о которых мечтают исследователи. Но самое, на мой взгляд, главное — то, что работа в процессе и достижения, которые получила наука на текущем начальном этапе развития ВО, поистине впечатляют.

Приведу классический пример преимущества работы с Виртуальной обсерваторией. В августе 2009 года американской Военно-морской обсерваторией был опубликован обзор UCAC3, который содержит в себе десятки миллионов звезд с координатами и, что самое интересное, с собственными движениями.

Для того, чтобы ученому, например, из России получить доступ к этому обзору, необходимо написать заявку в обсерваторию и далее подождать минимум пару месяцев, пока обычной почтой из США (пусть и бесплатно) придут несколько DVD-дисков с данным обзором.

Затем потребуется изучить программы для доступа к файлам каталога и подправить их под собственные нужды. Это требует значительного времени. Но благодаря тому, что Центр данных в Страсбурге проделал работу по публикации этого обзора в Виртуальной обсерватории, теперь любой ученый и вообще любой пользователь сети интернет моментально может получить доступ к UCAC3 и проводить собственные научные исследования (например, определять пространственное движение рассеянных звездных скоплений, далеко не все из которых исследованы) в считанные клики мышки с абсолютно любого компьютера, независимо даже от его операционной системы. То есть в данном случае за счет стандартного доступа ускорение в работе составляет сотни раз.


Прошедшее после развала СССР время бедного и скупого финансирования многих наук, в том числе астрономии, наложило свой отпечаток на текущее положение дел. В России катастрофически не хватает наблюдательных инструментов мирового уровня. Виртуальная обсерватория в этом плане дает возможность российским ученым быть наравне со своими западными коллегами просто потому, что посредством Виртуальной обсерватории им доступна самая свежая информация мирового уровня, и возможно проводить исследования в самых горячих областях астрономии. В плане развития Виртуальной обсерватории можно сказать, что важную роль играют несколько российских членов альянса «Международная виртуальная обсерватория», которые имеют возможность влиять на решения по стандартам и механизмам обмена информацией. Также российские ученые имеют большой вес в крупнейшем мировом Центре астрономических данных в Страсбурге, участвуют в разработке баз данных нового поколения, таких как SciDB для хранения данных будущих гигантских обзоров неба. Кроме того, в нашем институте (ГАИШ МГУ — Государственный астрономический институт имени Штернберга) при участии сотрудников Института астрономии РАН (ИНАСАН) создан и поддерживается сервис доступа к существующим огромным звездным каталогам, содержащий миллиарды объектов в поразительно быстрой базе данных — также оригинальной разработке мирового значения, сделанной сотрудниками ГАИШ.

Перспективы Виртуальной обсерватории поистине огромны.

Грядущие десятилетия, и это признается большинством астрономов, будут эпохой data intensive astronomy, то есть науки, связанной с интенсивным потоком данных. На ближайшие годы запланированы максимально глубокие обзоры всего неба, когда, к примеру, за один месяц телескоп LSST будет делать обзор всего неба с чувствительностью, превышающей чувствительность 6-метрового телескопа САО РАН. Каждый месяц его 3.2-гигапиксельная камера будет производить несколько петабайт изображений звездного неба, которые будут содержать в себе информацию о переменности десятков миллиардов источников, их яркости, собственных движениях, цветах и многом другом. Для сравнения, одно из крупнейших хранилищ данных в Европе в компании Mail.Ru имеет полный объем около 3 петабайт. Тут же речь идет о сотнях петабайт информации всего с одного инструмента. И вызов научному сообществу состоит даже не в том, чтобы хранить эту информацию, а чтобы ее обрабатывать и интерпретировать, привлекая творческую мысль исследователей всего мира и самые современные технологии для получения научных результатов и физических выводов о природе разнообразнейших объектов близкого и далекого космоса. Это работа, важность которой для всего человечества сложно переоценить. Зачастую, кстати, сами авторы обзоров не в состоянии предугадать, какие научные результаты принесут их данные. Поэтому грамотная публикация «сырых» данных и «готовых» продуктов подобных обзоров для доступа всего мирового научного сообщества является ключевым фактором успеха предприятия. Это ярко продемонстрировал обзор SDSS, вызвавший целую волну исследований по всему миру благодаря публичному доступу к его изображениям, спектрам и каталогам. Здесь однозначно справедлива перефразированная пословица «одна голова хорошо, а тысяча — лучше».

Основное идейное достижение Виртуальной обсерватории заключается в том, что операции, на выполнение которых ранее потребовались бы годы, сейчас могут выполняться за считанные минуты.

Хочу еще сказать про то, что астрономия наравне с интернетом толкает компьютерные технологии вперед, т. к. звезд на небе существенно больше, чем пользователей интернета.

Грядущие десятилетия проверят эту концепцию на прочность. И мы узнаем, насколько техническая реализация приблизилась к тем идеям автоматизации рутинных процессов, связанных с научными исследованиями, которые в нее были заложены.