AlertSim - srpski doprinos LSST-u

Transcription

1 INFOTEH-JAHORINA Vol. 13, March AlertSim - srpski doprinos LSST-u D. Jevremović V.Vujčić J. Aleksić L.Č.Popović Astronomska Opservatorija, Volgina Beograd, Srbija darko,veljko,jaleksic,lpopovic@aob.rs M.Malović Građevinski fakultet Univerziteta u Beogradu Beograd, Srbija mmalovic@grf.rs Sadržaj U ovom prilogu kratko opisujemo karakteristike Large Synoptic Survey Telescope-a (LSST-a) projekat i kakav će on uticaj imati na astronomiju, informatiku i nauku o tamnoj materiji i tamnoj energiji. Grupa srpskih astronoma je formalizovala saradnju sa LSST timom i počela aktivno da učestvuje u LSST projektu. Jedan od naših doprinos projektu je razvoj simulatora alerata koji će biti korišćen u ranoj fazi operacije. (Abstract) Ključne reči- astroinformatika; pregledi neba; simulacija alerata; Big Data u astronomiji opservatroiju je odabrano godine u konkurenciji San Pedro de Martir (Mexico), Las Campanas (Chile) i La Palme (Canary Islands, Spain). Konstrukcija teleskopa treba da započne u julu mesecu godine. Planirani teleskop ima poseban dizajn sa tri asferična ogledala: 8.4m primarno (M1), 3.4m konveksno sekundarno (M2) (inače najveće ikad napravljeno) i 5.0m tercijarno (M3). Ovakav dizajn omogućuje veoma veliko vidno polje koje će omogućiti da se celo vidljivo nebo sa Cerro Pachona snimi u toku 3 noći odnosno približno 2 puta nedeljno čime se postiže sinoptički aspekt pregleda neba. I. UVOD Large Synoptic Survey Telescope (LSST) je novi tip teleskopa sa veoma velikim vidnim poljem koji će omogućiti posmatranje celog vidljivog neba približno dva puta sedmično [1]. Poređenjem podataka dobijenih svakom ekspozicijom sa prethodno snimljenim podacima, u skoro realnom vremenu će biti moguće detektovati promene u sjaju (fizičke promene) i položaju objekata (npr. detekcija malih objekata u Sunčevom sistemu koji mogu da budu potencijalno opasni za našu planetu). Astronomija prolazi kroz period kada se menja način na koji ispitujemo svemir i odgovaramo na fundamentalna pitanja. Nove tehnologije koje ovo omogućuju su detektori nove generacije, koji uz otvaranje novih prozora u univerzum kreiraju ogromne količine visoko kvalitetnih podataka i kompjuterska tehnologija koja mora da sledi ovu eksploziju podataka. To u praksi znači da su nova astronomija i astrofizika orijentisane prema velikim pregledima neba u širokom dijapazonu talasnih dužina koji mogu biti statistički analizirani i inverzni problemi se mogu rešavati statističkom inverzijom, čime se produbljuje naše razumevanje fizike kosmosa. LSST je jedan od najznačajnijih projekata u svetu u ovoj revoluciji i rešenja za probleme na koje LSST nailazi, već imaju efekte u oblasti tehnologija koje se bave ogromnim količinama podataka. Slika 1. Mapa područja (AURA map) II. OPSERVATORIJA, TELESKOP I KAMERA Opservatorija će biti izgrađena na vrhu Cerro Pachon, oko 100 km udaljenom od grada La Serena u centralnom Čileu. U La Sereni se predviđa izgradnja baze za LSST. Na Sl.1 je prikazana mapa, a na Sl.2 umetnička vizija (render) izgleda opservatorije. U relativnoj blizini mesta za opservatoriju se nalazi 8.1m Gemini South i 4.2m SOAR teleskopi. Mesto za

2 Slika 2. Umetnička vizija opservatorije (Render 3). Očekuje se da 80% fluksa bude fokusirano unutar kruga prečnika 0.3 lučne sekunde u svim spektralnim područjima (filteri ugrizy) dok se u rizy spektralnim područjima se može očekivati bolji kvalitet od 0.2 lučne sekunde. Filteri su veoma veliki 0.75 tzv. čiste aperture. Efikasnost LSST-a će biti oko 62% za vidno polje od 0.7 stepeni dok za ostatak vidnog polja (3.5 stepena) postepeno opada do 57% Efikasnost u pojedinim filterima je prikazana na Sl.3. Refraktivni korektor se sastoji od tri silikonska sočiva, od kojih je najveće prečnika 1.55 m i filtera. Ovaj dizajn se bazira na predlogu za Teleskop za tamnu materiju [2]. Slika 4. Optički put teleskopa (FPA) Kamera koja će se koristiti za LSST biće najveća digitalna kamera ikada proizvedena (~1.6x3.0 m). Vidno polje će biti 3.5 stepeni sa ravnom slikom prečnika 0.64 m. Detektor će imati 3.2 Gpiksela koji će biti mozaik od 189 CCD svaki sa 16 Mpiksela. Ova kamera će imati visoku kvantnu efikasnost do 1000 nm, veoma brzo očitavanje celog sistema (2 sekunde) korišćenjem 3024 porta i naravno veoma nizak šum <5 elektrona. Šema optičkog puta teleskopa je prikazana na Sl. 4, a presek kamere na Sl. 5. Slika 3. Efikasnost LSST filtera Slika 5. Dizajn LSST kamere (Cut-Away View of Camera Assembly) III. MENADŽMENT PODATAKA Veoma velika brzina kojom će se sakupljati podaci na LSST-u znači da će se svake noći generisati približno 30 TBajta sirovih podataka što tokom projektovanih deset godina rada pregleda iznosi preko 60 PBajta. Nakon procesiranja volumen podataka će preći stotinu petabajta. Obrada te količine podataka, pretvaranje 'sirovih slika' u korektnu prezentaciju univerzuma, automatska kontrola podataka i arhiviranje rezultata u formatu koji zajednica (naučna i šire tzv. people's science ) može da koristi, jedan je od glavnih izazova za projekat. U LSST naučnu bazu podataka ući će: - preko 100 tabela baza - metapodaci o slikama (700 miliona linija)

3 - katalog svih izvora zračenja (3 triliona (10 12 ) linija) - katalog objekata (20 milijardi linija - svaka sa preko 200 atributa) - katalog pokretnih objekata (10 miliona linija) - katalog promenljivih objekata (100 miliona linija) - katalog alerata predviđeno je da se alerti distribuiraju u roku od 60 sekundi od primećenog događaja - metapodaci o kalibracijama, konfiguracijama, obradi, itd. Svake noći će se generisati slika od kojih će svaka imati 16 Mpixela što vodi do 60PBajta podataka u deset godina pregleda neba. Ova ogromna arhiva i baze podataka omogućuju raznovrsna multidisciplinarna istraživanja u astronomiji i astrofizici, machine learning (data mining), ekstremno velike baze podataka, eksplorativna analiza podataka, vizuelizacija naučnih podataka, kompjuterska nauka i distribuirano računanje i naučno obrazovanje. Napredak u ovim tehnologijama će biti eksportovan u druge oblasti nauke koje operišu sa ogromnim količinama podataka (npr. biologija, remote sensing...). Slika 5 prikazuje tok podataka i generisane proizvode koji će biti dostupni. Naravno, ovoliku količinu podataka koja će biti generisana na LSST-u, neće biti moguće analizirati na tradicionalan način, već će zahtevati razvoj novih pristupa u celom naučnom procesu. Zajedno sa još nekoliko projekata (poput Square Kilometer Array u radio astronomiji) LSST uvodi astronomiju u Big Data eru i potiče razvoj e-astronomije koju drugačije zovemo astroinformatikom. Slika 6. Tok podataka i krajnji proizvodi LSST-a IV. NAUČNA SARADNJA Iako do formalnog početka pregleda neba ostaje nekoliko godina, astronomi i fizičari su već organizovani u tzv. naučne timove sastavljene od vrhunskih stručnjaka u pojedinim oblastima. Ovi timovi definišu zahteve za pregled, kalibraciju i ostale podatke, kao i npr. vremenski razmak sa kojim će se pojedini delovi neba snimati. Trenutno je aktivno dvanaest naučnih timova i to: Supernove, Slaba gravitaciona sočiva, Zvezdane populacije, Aktivna galaktička jezgra, Sunčev sistem, Galaksije, Promenljive zvezde i drugi tranzijenti, Struktura na velikim skalama-barionske oscilacije, Mlečni put i struktura u lokalnom prostoru, Jaka gravitaciona sočiva, Informatika i statistika i Tamna energija. Naravno, zahtevi pojedinih timova su različiti, ali ih je moguće sa malo kompromisa uskladiti

4 V. SRPSKA NAUKA I LSST Iz gore navedenog je lako zaključiti da srpska astronomija, informatika i fizika mogu imati veoma velike koristi od uključivanja u projekat LSST-a. To je prepoznato čak i pre nego što je LSST postavljen za najveći američki prioritet među zemaljskim instrumentima za gradnju u sledećoj deceniji. Deo sredstava za učešće Srbije u LSST-u je odobren kroz projekat: Astroinformatika: primena IT u astronomiji i srodnim oblastima. Srpski naučnici će biti okupljeni u LSST Srpskoj tehničkoj grupi. Još pet projekata iz osnovnih nauka je podržalo učešće Srbije u LSST-u i to: Astrofizička spektroskopija vangalaktičkih objekata, Uticaj sudara na spektre astrofizičke plazme, Gravitacija i struktura kosmosa na velikim skalama, Dinamika i kinematika nebeskih tela i sistema i Struktura i evolucija emisionih maglina. U ovom trenutku najveće interesovanje pokazujemo za promenljive objekte, monitoring aktivnih galaktičkih jezgara, mala tela u Sunčevom sistemu, planetarne magline i ostatke supernova. Naravno ove oblasti su gde se i nalazi snaga srpske astronomije. Veoma je važno da se i ostale oblasti koje su pomenute u naučnim saradnjama razvijaju u našoj zemlji. Posebno se ističe novi rad na astroinformatici koja u suštini postaje e-nauka u astronomiji (slično kao što se pojavila bioinformatika kao posebna disciplina). Tu se i vidi mogućnost našeg doprinosa u kontekstu razvoja dela softvera za LSST, kao i usklađivanje sa standardima Virtuelnih opservatorija. Saradnja sa fizičarima će doprineti boljem razumevanju tamne materije i tamne energije. VI. ALERTSIM KONKRETAN DOPRINOS LSST-U Konkretan doprinos naših naučnika LSST-u je razvoj simulatora događaja koji bi se koristio tokom testiranja instrumenata i vrlo rane operacione faze. Naime jedan od većih problema pred kojim će se naći ceo pregled je izdavanje alerata odnosno najverovatnije da neće biti moguće imati više od četiri alert stream-a (zbog količine podataka koje treba preneti). Iz tog razloga je neophodno imati što bolji simulator kojim će se testirati predloženi/izgrađeni Complex event processing sistemi koji će filtrirati i dalje ditribuirati praktično sve alerte. U sklopu redovnih noćnih aktivnosti, LSST će generisati transient alert stream od približno događaja u minuti. Taj stream je planiran da bude prosledjen nefiltriran prema određenim CEP sistemima (ili event brokerima). I prema lokalnom jednostavnom servisu za filterisanje transienata. Ne očekuje se da će infrastruktura moći da podnese više od 4 takva stream-a direktno konektovanih na LSST. Posebni memorandumi o razumevanju će biti potpisani sa operatorima tih CEP sistema/event brokera. Uzimajuću u obzir limitaran broj CEP sistema/event brokera koji će služiti kao primarni mehanizam za dostavljanje podataka o tranzientima naučnoj zajednici, neophodno je obezbediti da su ti sistemi u stanju da prime i procesiraju LSST event stream od početka do kraja rada pregleda. CEP sistem koji je neefikasan ili pun grešaka znači gubitak za LSST naučnu zajednicu, kao i dodatne troškove za LSST tehničku podršku. Neophodno je svaki od externih CEP sistema testirati, kontinuirano pratiti i imati osoblje koje će biti u stanju da razume i razreši eventualne probleme ako do njih dođe. Budući simulator alerata i CEP sistem validator (AlertSim) moraće da zadovolji sledeće zahteve: 1. da bude u stanju da generiše veliku količinu realističnih LSST tranzient alerata u skladu sa projektovanom frekvencijom alerata 2. da može da simulira različite greške ili posebne/ekstremne uslove uključujući neočekivano veliku količinu spurious detekcija neobično veliki broj detekcija simulirajući vidna polja sa velikom gustinom objekata prekide u stream-u (npr. zbog predugog procesiranja) prekide u stream-u (npr. greške u softveru) prekidi u mrežnoj komunikaciji i bursty modovi prenosa 3. omogući lako detektovanje i otklanjanje problema sa CEP sistemima 4. da bude automatizovan, lako prilagodljiv i omogući čuvanje informacija o promenama 5. da prati standarde, konvencije i proces razvoja LSST softvera, i da se lako izvršava na LSST Data Access Center hardveru, 6. da se razvija u koordinaciji sa grupama koje razvijaju simulacije raznih aspekata rada LSST-a Ovaj softverski paket biće razvijen u kombinaciji python/c++. ZAHVALNICA Ovaj rad je sproveden uz podršku Ministarstva za prosvetu, nauku i tehnološki razvoj Republike Srbije, u okviru projekta III44002 Astroinformatika: primena IT u astronomiji i srodnim oblastima. Slike u ovom prilogu su reprodukovane sa dozvolom lsst.org-a. LITERATURA [1] Ivezić et al. ArXiv ver of June :LSST:From Science drivers to reference design and anticipated data products [2] Angel, R.; Lesser, M.; Sarlot, R.; Dunham, E.2000, Design for an 8-m Telescope with a 3 Degree Field at f/1.25: The Dark Matter Telescope ASPC ABSTRACT In this contribution we briefly describe Large Synoptic Survey Telescope and its influence to astronomy, physics, informatics, dark mater and dark energy science. Group of Serbian astronomers joined the project and our contribution is building simulator of stream of alerts - AlertSim which is going

5 to be used in commisioning and early operation phase of LSST survey. We expect many exciting developements in the next twenty years. AlertSim - Serbian contribution to LSST D.Jevremović V.Vujčić M.Malović J.Aleksić L.Č.Popović