Международная виртуальная обсерватория
ЗиВ ?1/2004
О.Ю. Малков, кандидат физико-математических наук,
Институт астрономии РАН
Зачем нужна МВО
В настоящее время в связи с развитием наблюдательной астрономической техники и значительными достижениями в регистрирующих и вычислительных технологиях астрономия столкнулась с лавинообразным увеличением количества наблюдательных данных. Эти данные покрывают небо в различных диапазонах длин волн, от гамма- и рентгеновского до радио-диапазона. Как же астроному, занимающемуся исследованиями в каком-либо научно-исследовательском институте или обсерватории земного шара быстро получить полную информацию обо всех наблюдательных данных, накопленных в интересующей его области астрономии до текущего момента, чтобы использовать их в своей работе? Широко используемый в последнее десятилетие Интернет, конечно, облегчает общение и обмен информацией, но все же не дает возможности широкого доступа ко всем накопленным базам данных.
Поэтому за последние три года появилась и стремительно завоевала популярность идея Международной виртуальной обсерватории (МВО), призванной удовлетворить современным требованиям к управлению данными, их анализу и распространению.
Международная виртуальная обсерватория (МВО) - это система, в которой гигантские астрономические архивы и базы данных, распределенные по всему миру, вместе с инструментами их анализа и вычислительным сервисом интегрированы в единую среду. МВО позволит астрономам, находясь в любой точке мира, не ожидать месяцами доступа к телескопу, а загрузить в компьютер оцифрованный участок неба и таким образом решать многие астрофизические задачи, для которых уже достаточно накоплено наблюдательного материала. Все больше астрономических каталогов становятся взаимосвязанными, поисковые машины все более и более усложняются, и результаты исследований он-лайн данных (полученных через Интернет) теперь столь же богаты, как и данных, полученных с реальных телескопов. С появлением высокоскоростных сетей и недорогих технологий хранения данных концепция мульти-терабайтных
интероперируемых 1 бесшовных 2 он-лайн данных уже не является надуманной.
Новые, планируемые в настоящее время телескопы, предназначенные для обзоров будут поставлять изображение всего неба за несколько дней и производить, таким образом, петабайтные объемы данных. Эти технологические достижения фундаментально изменят характер астрономических исследований, что радикально повлияет на социальный статус самой астрономии. Современная астрономия стоит у границ новых открытий, возможности для которых предоставляют современные информационные технологии, а также политическая и техническая международная кооперация. МВО объединяет региональные и национальные проекты виртуальных обсерваторий (ВО).
Альянс МВО
Для создания МВО был организован альянс 'Международная виртуальная обсерватория' (International Virtual Observatory Alliance, IVOA) - 'инструмент' координации всех значительных проектов региональных виртуальных обсерваторий.
В 2001-02 гг. три ведущих международных проекта по развитию и реализации современных подходов к использованию астрономических данных и созданию виртуальной обсерватории (ВО) получили финансирование и начали реализовываться. Это проекты Astrogrid - астрономическая сеть (Соединенное Королевство), Астрофизическая виртуальная обсерватория (Европа) и Национальная виртуальная обсерватория (США). Общий уровень финансирования проектов составил около 20 миллионов долларов США на первые 3 - 5 лет. Цель каждого проекта - вооружить астрономов мощными механизмами современного исследования результатов наблюдений, которые могут быть использованы и в смежных науках. Кроме того, каждый проект ВО ставит и решает проблему недостаточного использования научного потенциала, заложенного в современных и будущих источниках астрономических данных. Количество таких проектов продолжает расти, поскольку все большее число национальных астрономических сообществ сталкивается с описанными проблемами. Каждый проект решает одни и те же задачи и ищет оптимальный доступ к одним и тем же данным.
У астрономического сообщества возникла необходимость определить общие цели пути для создания виртуальной обсерватории с глобальными возможностями. Каждый из существующих национальных проектов имеет также и собственные научные и технологические задачи. Их разнообразие представляется достаточно благотворным для успеха МВО. Большинство же общих элементов, которые необходимо согласовывать для эффективного конструирования этого международного проекта связано со стандартами данных и интерфейсов (систем взаимодействия). Кроме того, к совместно используемым элементам относятся пакеты программ и библиотеки исходных текстов.
Целесообразность международного сотрудничества обусловлена также проблемами безопасности, финансирования и др. На начальной стадии создания МВО должны быть решены вопросы стандартов интероперабельности используемых источников данных. Для приобретения доверия широких слоев астрономического сообщества чрезвычайно важны демонстрации новых возможностей виртуальных обсерваторий на разных уровнях сложности. Необходимо предоставить возможности для открытого обмена информацией и опытом между проектами ВО, то есть разработать 'прозрачный' путь создания МВО. Некоторые цели уже достигнуты, другие предстоит реализовать в ближайшем будущем. Таким образом, альянс 'Международная виртуальная обсерватория' должен быть механизмом для координации международного сотрудничества в деле достижения общих целей.
Состав МВО
Идея объединить усилия национальных проектов и создать МВО обсуждалась еще на XXIV генеральной ассамблее Международного астрономического союза (Манчестер, август 2000 г.), а первый международный диалог по проблемам интероперабельности состоялся на конференции в Страсбурге (январь 2002 г.). Альянс МВО был сформирован в июне того же года на конференции по виртуальным обсерваториям (Гархинг). В него входят представители всех финансируемых проектов ВО, которые встречаются и общаются на регулярной основе для согласования решений по общим проблемам и достижения консенсуса при выработке общего базиса, без чего МВО не сможет функционировать.
Рис. 1 - Состав альянса МВО.
В августе 2003 г. альянс объединял следующие проекты:
- Astrogrid (VO United Kingdom) - Астрономическая сеть (виртуальная обсерватория Соединенного Королевства).
- Aus-VO (Australian Virtual Observatory) - Австралийская виртуальная обсерватория.
- AVO (Astrophysical Virtual Observatory) - Астрофизическая виртуальная обсерватория (Европейский проект)
- China-VO (Chinese Virtual Observatory) - Китайская виртуальная обсерватория
- CVO (Canadian Virtual Observatory) - Канадская виртуальная обсерватория
- DRACO (Virtual Observatory - Italy) - виртуальная обсерватория Италии
- GAVO (German Astrophysical Virtual Observatory) - Немецкая астрофизическая виртуальная обсерватория
- JVO (Japanese Virtual Observatory) - Японская виртуальная обсерватория
- KVO (Korean Virtual Observatory) - Корейская виртуальная обсерватория
- NVO (US National Virtual Observatory) - Американская Национальная виртуальная обсерватория
- RVO (Russian Virtual Observatory) - Российская виртуальная обсерватория
- VO-France (French Virtual Observatory) - Французская виртуальная обсерватория
- VO India (Virtual Observatory - India) - Виртуальная обсерватория Индии.
Координированные сеансы демонстрации работы членов альянса состоялись в январе 2003 г. в Сиэттле (там же обсуждалось соглашение о первичном наборе стандартов и инструментов интероперабельности) и в июле 2003 г. в Сиднее (на XXV генеральной ассамблее Международного астрономического союза). Сеансы включали демонстрацию доступа к распределенным по странам альянса астрономическим данным и обмен между архивами. Последующие демонстрации (запланированные на январь 2004 г. и январь 2005 г.) ознакомят с новыми технологиями хранения данных и grid-вычислениями. Таким образом, 13 проектов, финансируемых национальными или международными программами, функционируют в альянсе МВО, делятся опытом и разрабатывают общие стандарты и инфраструктуру для работы с астрономическими данными.
Виртуальная обсерватория Соединенного Королевства - Astrogrid
Проект Astrogrid представляет собой объединение из семи университетов и лабораторий Соединенного Королевства. Его осуществлением занято 25 научных сотрудников и разработчиков. На реализацию этого проекта (2001-04) выделено 3.7 миллиона фунтов стерлингов. Его цель - добиться осуществления астрономических исследований более быстрыми, эффективными и экономичными путями с помощью стандартизации интерфейсов доступа к данным и процесса их анализа. Astrogrid - партнер в европейском проекте 'Астрофизическая виртуальная обсерватория' и отвечает в АВО за grid-технологии, которые обеспечивают широкий доступ ко всем компьютерам сети. Если, например, в каком-либо институте или обсерватории не хватает мощности компьютера для решения поставленной задачи, а в другой обсерватории, входящей в МВО, в данный момент свободен более мощный компьютер, то с помощью grid-технологии можно обратиться к этому более мощному компьютеру и решить свою задачу. Astrogrid позволит пользователям опрашивать центры данных в бесшовном и прозрачном режиме. Это осуществляется за счет стандартизации данных и метаданных, методов обмена данными, создания и использования так называемого регистра источников астрономической информации (официально поддерживаемый информационный блок), создания инструментов работы (программ обработки) с потоками данных. Одновременно Astrogrid объединяет центры данных и представляет собой фонд существующих и планируемых ключевых ресурсов и баз данных.
Австралийская виртуальная обсерватория - Aus-VO
Австралийская виртуальная обсерватория включает в себя четыре организации и финансируется Австралийским исследовательским советом. Цель проекта - создать среду, связывающую архивы всех австралийских телескопов и взаимодействующую с другими ВО. Обсерватории хранят наблюдательные данные в различных форматах, но в соответствии с концепцией ВО данные должны быть описаны и предоставлены для пользования в одинаковом для всех формате. Такой стандарт, принятый альянсом МВО в 2002 г., называется VOTable и служит для описания и передачи широкого диапазона астрономических данных. Вклад Австралийской виртуальной обсерватории в разработку VOTable заключался в создании необходимых определений для системы мировых координат. Ключевые компоненты проекта - наблюдательные данные и результаты крупномасштабных теоретических моделирований. Австралия накопила значительный опыт в визуализации данных.
Астрофизическая виртуальная обсерватория - AVO
Европейский проект 'Астрофизическая виртуальная обсерватория' совместно финансируется по программе FP5 Европейской Комиссией и шестью европейскими организациями. Ей выделено 5 млн. евро на три года. В рамках проекта обсуждаются различные проблемы современной астрономии, для которых необходимо осуществлять поиск нужной информации в больших рядах наблюдений, произведенных в различных спектральных диапазонах и распределенных по многим центрам данных. Задача ВО - анализ, сбор и структурирование результатов обработки данных и их визуализация.
Китайская виртуальная обсерватория - China-VO
Проект создания Китайской виртуальной обсерватории инициирован Национальной астрономической обсерваторией Китая и Обсерваторией спектроскопического телескопа LAMOST. Функционируя в качестве связующего звена между альянсом МВО и китайским астрономическим сообществом, China-VO позволяет астрономам Китая пользоваться последними достижениями и открытиями международного астрономического сообщества, а также предоставляет китайские астрономические ресурсы для совместного использования коллегами во всем мире. LAMOST в настоящее время - единственный крупный астрономический проект в Китае. Он сможет после запуска в 2006 г., получать десятки тысяч спектров за ночь, играя, таким образом, лидирующую роль в спектроскопии. В рамках проекта будут решаться вопросы автоматической обработки большого объема спектральных данных и интероперабельности наблюдательных архивов. Доступ к возможностям China-VO планируется осуществлять через портал (специализированный сайт Интернета).
Канадская виртуальная обсерватория - CVO
Канадская виртуальная обсерватория создается в Канадском центре астрономических данных и поддерживается Национальным исследовательским советом Канады и Канадским космическим агентством. CVO в сотрудничестве с Немецкой астрофизической виртуальной обсерваторией и Австралийской виртуальной обсерваторией создала набор прототипов ВО, то есть демонстрационных программ поиска, изучения и доступа к распределенным источникам астрономических данных различных классов. Такие прототипы позволяют в процессе демонстрации настраиваться на определенный участок неба и делать реальные открытия, работая в реальном времени. В проекте уделяется особое внимание эксплуатации больших наборов данных в различных спектральных диапазонах. Разработана модель их хранения и осуществления доступа к ним, в том числе прямых изображений, спектроскопии и других классов данных. Для работы с большими наборами данных используется кластер (несколько компьютеров, объединенных в общую вычислительную среду) баз данных с 16 процессорами и семью терабайтами (7 т:) памяти. Канадская виртуальная обсерватория, в отличие от большинства других проектов ВО, активно вовлечена в производство данных для ВО. Кроме того, исследовательские работы в рамках CVO достаточно замкнуты, что предоставляет возможность создания широкого класса прототипов (и не препятствует подсоединению других источников данных).
Виртуальная обсерватория Италии - DRACO
Проект DRACO - Итальянская сеть данных для астрофизических исследований и координации с виртуальной обсерваторией поддерживаемый Итальянским фондом фундаментальных исследований, призван обеспечить научное сообщество распределенной многофункциональной программной оболочкой, позволяющей использовать специализированные узлы сети (наблюдательные, вычислительные, хранящие и обрабатывающие данные). Текущие задачи проекта: обеспечение доступа к прототипу долгосрочного архива Национального телескопа Галилея и Консультационной системе каталогов; поддержка интероперабельности с другими поставщиками данных; обеспечение удаленного доступа к линии обработки данных с инструмента VST/OmegaCAM, предоставление прозрачного доступа к мониторингу наблюдений. В рамках проекта планируется предоставить мировому астрономическому сообществу доступ к ряду других национальных архивов наблюдательных данных (включая малые архивы и базы данных), интеграция новых научных приложений и методов обработки данных, разработка процедур визуализации данных, разработка обучающих машину программ с использованием элементов искусственного интеллекта и генетических алгоритмов.
Немецкая астрофизическая виртуальная обсерватория - GAVO
Немецкая астрофизическая виртуальная обсерватория рассматривается разработчиками как платформа для поддержки современных астрономических исследований в Германии. GAVO включает 4 немецкие астрономические организации, которые предоставляют архивы данных и соответствующую экспертизу, развивают идеи и совершенствуют механизмы для хранения, перемещения, обработки и эксплуатации этих архивов, облегчают контакты заинтересованных в использовании ВО лиц: от профессиональных ученых, преподавателей и студентов до любителей астрономии. Приоритетом для GAVO является федерализация важнейших локальных архивов астрономических данных. Речь в первую очередь идет о ключевых наборах, уже поддерживаемых немецкими институтами: архив рентгеновской космической миссии ROSAT, оптический обзор неба SDSS, а также планируемые результаты теоретических моделирований консорциума Virgo и космической микроволновой миссии Planck. После объединения архивов данных в мощную и простую для использования компьютерную сеть предстоит решить задачу адаптации инструментов поиска данных. Такой инструмент должен содержать в себе возможности группирования и идентификации объектов. GAVO получит и опубликует результаты моделирований темной материи в крупномасштабных структурах, а также гидродинамических моделирований скоплений галактик, сверхновых и звездной эволюции. Основная цель - представить результаты моделирований и наблюдений в объединенной модели, наладить таким образом связь между наблюдательным и теоретическим сообществами. GAVO разрабатывает механизм управления виртуальным телескопом для наблюдения результатов моделирований с физически мотивированными параметрами.
Японская виртуальная обсерватория - JVO
Проект 'Японская виртуальная обсерватория' разрабатывается в Национальной астрономической обсерватории Японии, в распоряжении которой находятся оптический и инфракрасный телескопы Subaru и большие радиотелескопы. Она архивирует и предоставляет для всеобщего использования наблюдательные данные (десятки терабайт в год) через Интернет. JVO призвана обеспечить бесшовный доступ к федерализированным базам данных и различные инструменты анализа данных, включая их поиск с использованием современных grid-технологий. В рамках проекта разработан унифицированный язык запросов для доступа к астрономическим базам данных и сконструирован прототип JVO, содержащий пять машин, объединенных в сеть. Здесь же размещены архивы наблюдательных данных.
Корейская виртуальная обсерватория - KVO
Один из относительно молодых проектов, Корейская виртуальная обсерватория, начал разрабатываться в 2003 г. в Корейской астрономической обсерватории. В рамках проекта создается база данных, полученных корейскими оптическими и радиотелескопами (в том числе данные патрулирования околоземных объектов). В KVO будут включены также данные, полученные на строящихся наземных и космических инструментах Кореи.
Американская национальная виртуальная обсерватория - NVO
Американский проект создания Национальной виртуальной обсерватории ставит целью федерализацию астрономических ресурсов для обеспечения бесшовного доступа к разнородным данным, хранящимся в различных центрах, и предоставления их в виде однородного набора. Задача проекта - минимизировать усилия пользователей по запросу, получению и управлению данными. Для осуществления проекта применяются
grid-технологии и методы распределенных вычислений, что требуется для работы с большими объемами данных. Разработан ряд менее масштабных прототипов, иллюстрирующих основные направления, в которых развивается NVO, и позволяющих пользователю запрашивать данные из различных ресурсов, визуализировать результат запроса и интерактивно исполнять процедуры анализа данных.
Российская виртуальная обсерватория (РВО) - RVO
Научный совет по астрономии Российской академии наук в декабре
2001 г. одобрил инициативу создания Российской виртуальной обсерватории для обеспечения доступа астрономов к обширным источникам данных и метаданных, полученных в результате наблюдений. Основные задачи РВО: предоставить российскому астрономическому сообществу удобный и эффективный доступ к зарубежным источникам данных, объединить российские астрономические информационные ресурсы для интеграции в Международную виртуальную обсерваторию, развивать российские электронные астрономические образовательные ресурсы. Первая задача из приведенного списка решается преимущественно силами Центра астрономических данных (ЦАД) Института астрономии РАН. Вклад ЦАД в объединение Российских астрономических ресурсов весьма значителен. В России около 30 астрономических институтов и организаций, многие из которых располагают обширными архивами данных. Преимущество российских астрономических данных заключается в наличии продолжительных рядов наблюдений. Кроме того, Россия - самая протяженная по долготе страна мира (11 часовых поясов), расположенная на противоположной (относительно большинства крупных мировых обсерваторий) стороне земного шара. Это позволяет получать непрерывные ряды наблюдений переменных объектов. В ЦАД осуществляется сбор и классификация доступных (как российских, так и ряда стран бывшего СССР) ресурсов астрономической информации. Среди целей проекта РВО - стандартизация и унификация информации о национальных астрономических ресурсах, их экспертиза и заполнение базы метаданных. Участие в решении задач проекта РВО принимают также астрономы из Специальной астрофизической обсерватории РАН и Астрономического института Санкт-Петербургского государственного университета.
Виртуальная обсерватория Франции - VO-France
Французская виртуальная обсерватория является одним из самых молодых проектов (запущен летом 2003 года). Ее финансирует Совет по национальным научным исследованиям. VO-France базируется преимущественно на ресурсах Страсбургского центра астрономических данных, располагающего самой богатой в мире коллекцией астрономических каталогов и наблюдательных архивов.
Виртуальная обсерватория Индии - VO India
В проекте Индийской виртуальной обсерватории сотрудничают астрономы из Межуниверситетского центра по астрономии и астрофизике и разработчики программ из компьютерной компании Persistent Systems Pvt. Ltd. Частично он финансируется Министерством коммуникаций и информационных технологий Индии. Таким образом, этот проект представляет собой модель кооперации между академическими экспертами и представителями индустрии в области информационных технологий. Продукты, разработанные ВО Индии, уже эксплуатируются международным астрономическим сообществом. Одно из достижений - участие в разработке ВО-таблицы. Поскольку ВО имеют дело с большими объемами астрономических данных, которые необходимо передать через Интернет, возникла необходимость разработать такой формат - базирующийся на XML. Другие достижения индийской ВО - разработка программы для чтения широко распространенного в астрономии FITS формата, а также установка на RAID массивах зеркал важнейших мировых баз астрономических данных.
Научные результаты достигнутые МВО
Обеспечивая инструменты для быстрого создания и исследования массивных наборов данных, виртуальная обсерватория значительно упрощает (а зачастую и делает единственно возможным) решение широкого спектра научных проблем. Особенную ценность представляет объединение больших наборов данных по всему спектру электромагнитного излучения, по широкому пространственному и временному диапазонам.
На ВО проводятся исследования структуры Галактики, ядер активных галактик, переменность различных астрономических объектов в широком диапазоне временных шкал, длин волн, интенсивностей потоков излучения, изучение крупномасштабной структуры Вселенной. ВО также делает возможным поиск редких, необычных или даже совершенно новых типов астрофизических объектов и явлений. Впервые астрономы могут сверить результаты массивного численного моделирования с равными по объему и сложности наборами наблюдательных данных. Многими проектами, входящими в альянс МВО, занимаются активно действующие научные группы, состоящие из специалистов в различных областях (оптика, радио, астрофизика высоких энергий, космическая и наземная астрономия.
В течение ближайших нескольких лет в рамках альянса МВО будет создана новая астрономическая инфраструктура, использующая постоянно появляющиеся новые технологии. Международное астрономическое сообщество, управляющее этой инфраструктурой, сможет создавать новые исследовательские программы и публиковать получаемые данные и результаты более эффективными и научно востребованными методами, чем это возможно сейчас.
В настоящее время ряд проектов ВО использует научные прототипы для демонстрации пользователям выгод от федерализации архивов, каталогов и вычислительных возможностей. Астрофизической виртуальной обсерваторией (Европа) вниманию астрономов был предложен мощный интерфейс для исследования глубокого обзора неба GOODS (Great Observatories Origins Deep Survey), анализа мультиспектральных изображений и получения распределения энергии в спектре каталогизированных GOODS-объектов, а также для измерения динамических характеристик некаталогизированных объектов. В качестве научных сценариев выбраны формирование галактик в ранней Вселенной и идентификация кандидатов в сверхновые.
Рис. 3 - Вид экрана монитора с участком неба, найденным по данным обзора GOODS
(глубокий обзор больших обсерваторий).
Национальная виртуальная обсерватория (США) показала сразу несколько возможностей: отслеживание транзиентных событий, поиск кандидатов в коричневые карлики и морфологический анализ галактик. Эти демонстрации используют новые стандарты интерфейсов и протоколов для доступа к каталогам и изображениям. Основная цель показа процесса поиска коричневых карликов - проверка результатов, полученных ранее другими методами, однако при демонстрации были открыты новые объекты этого типа. Astrogrid и Канадская виртуальная обсерватория также показывают свои возможности (глубокие обзоры, квазары с большим красным смещением, поиск слабых галактик и др.).
Рис. 4 - Изображение коричневого карлика 2MASSI I0104075 - 005328,
открытого средствами Национальной виртуальной обсерватории (США)
в процессе кросс-идентификации (перекрестная идентификация) обзоров 2MASS и SDSS.
Коричневый карлик в центре квадратов.
Альянс МВО на XXV генеральной ассамблее МАС
Будущее Международной виртуальной обсерватории интенсивно обсуждалось на прошедшей в июле 2003 года XXV генеральной ассамблее Международного астрономического союза. Этому вопросу были посвящены четыре сессии объединенной дискуссии 'Будущее больших телескопов и виртуальных обсерваторий', возглавляемые представителями европейского, российского, австралийского и японского проектов. Научная программа заседаний включала технические и научные проблемы (коричневые карлики, галактики с большим красным смещением, автоматизированная классификация рентгеновских источников, теоретическая виртуальная обсерватория). Были проведены также круглый стол, сессия стендовых докладов и демонстрации. На заседании альянса МВО, которому посвятили целый день, решались технические вопросы: перевыборы руководящих органов, отчеты представителей национальных проектов, отчеты рабочих групп альянса, планы по сотрудничеству. Отмечено, что некоторые компоненты МВО уже существуют и апробируются, в то время как для решения многих других задач необходимо приложить серьезные совместные усилия мирового астрономического сообщества.
Примечания:
1) Интероперируемость системы баз данных позволяет пользователю получать информацию сразу из всех баз данных, хранящих разную информацию об одних и тех же объектах.
2) При бесшовной системе стираются границы между разными базами данных, и пользователь может вообще не задумываться, из какой базы данных он берет информацию.
|
 |
