虚拟天文台 : 科学 , 工具及应用

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虚拟天文台 : 科学 , 工具及应用

张彦霞

国家天文台2005.11.25 于威海

The Chinese VIRTUAL OBSERVATORY


科学杂志 Science, 293, 2037 （ September 2001 ）


Nature, 420, 262 (21 Nov 2002)自然杂志


• 题目 : virtual observatories

26570

摘要 : virtual observatories

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为什么 VO 具有很好的应用前景？• 技术的革新是科学快速增长的驱动器• 天文学历史上不凡这样的事例 :

– 六十年代电子技术和空间科学的发展，导致一批新天体或现象的发现：类星体 , 宇宙微波背景辐射 , x 射线天文学的兴起 , 脉冲星 , GRBs, …

– 八十年代到九十年代计算机技术和探测器技术的发展：星系的形成和演化 , 太阳系外行星 , 宇宙微波背景辐射的扰动 , 暗物质和暗能量， GRBs, …

– 二十年代至今，信息技术的飞速发展，是否预示天文学发现的下一个黄金时代的到来 ?

VO 正是加速这一发现时代的载体！


VO 科学目标

• 系统的数据探索– 宇宙的大尺度结构和银河系结构– AGN物理和演化– 低表面亮度星系– 以前探索很少的观测参数空间

• 变化探索 - 时间域（超新星 , GRBs, 暂源，变星等） - 波长 - 流量• 稀有或未知天体或新现象的发现• 巨型的数值模拟与观测数据的对比• 多波段天文学，统计天文学和交叉学科的发展


可能的基于 VO项目

• AGN 的全波段观测及其演化– 多波段的交叉证认 , 从射电波段到 x 射线波段– 理解选择效应– 昏暗效应 , II 型 AGN, 全面的普查演化和净能量，弥散的背景

• 我们银河系的空间结构图– 相关的巡天：可见光到近红外 ( 恒星 ),远红外到射电波段(ISM)

– 恒星，气体，灰尘， SFR … 等的 3 维图像 – 自行和气体的速度 : 6维相空间图像星系的结构，动力学和形成

• 星系团作为 LSS 及其演化的探针– 星团的选择方法 : 星系密度 , x 射线 , S-Z 效应 …– 理解选择效应探索 LSS演化和宇宙学


基于 VO 的类星体研究

• Sloan ： 60000 条 quasar 光谱

• 用含有 173 个参数的模型来拟合每一条光谱的线宽，从而导出黑洞的质量 • 每条光谱需要 1 cpu-hour

• 用 Teragrid 来实现


探索新的观测参数空间：时间域

Faint, Fast Transients (Tyson et al.)

Megaflares on normalMS stars (DPOSS)

已存在和即将运行的巡天 : 微引力透镜试验 (OGLE, MACHO …) 太阳系巡天 , GRB 寻找 … DPOSS 底片重叠 (Mahabal et al.) 在帕拉玛的 QUEST-2 和 NEAT 项目… 将来的 : LSST ?


图像域的数据挖掘 :借助模式识别方法我们是否可以发现新的现象 ?

( 每一种方法都有自己的偏差和极限 )

– 源的形态和环境有效的参数化– 多尺度分析 (也可以用在时间域和光变曲线领域 )


观测参数空间探索和搜寻稀有的或新类型的天体


例子 : SDSS + 2MASS


多波段交叉证认发现新的天体

可能的褐矮星

JHK z

i r

可能的高红移类星体

JHK z

i r


图像融合

Gamma-Ray >100MeV (CGRO, NASA) Gamma-Ray (N. Gehrels et.al. GSFC, EGRET, NASA) X-Ray 2-10keV (HEAO-1, NASA)

X-Ray 0.25, 0.75, 1.5 keV (S. Digel et. al. GSFC, ROSAT, NASA) Ultraviolet (J. Bonnell et.al.(GSFC), NASA) Visible (Axel Mellinger)

Infrared (DIRBE Team, COBE, NASA) Radio 1420MHz (J. Dickey et.al. UMn. NRAO SkyView) Radio 408MHz (C. Haslam et al., MPIfR, SkyView)

http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/ap950623.html










多波段不同形态图像的拼接DPOSS-2MASS 图像拼接

J F N J H K J F N J H K

星系证认 , 星系团用形状和颜色进行模式匹配


统计的重要性

9 Million star CM

diagram of the LMC

100,000 new variables - some with unknown physics


促进新的发现

• 新的发现 ?– 在边界或边缘处– 视场更深 , 收集更多的数据 , 用更多的颜色… .

• 梅特卡夫定律– 网络的价值与联网的用户数的平方成正比： O(N2)

• 融合数据– N 个数据库的融合： O(N2) – 新发现的可能性增长： O(N2)

• 现有的巡天资料已证实了这点– 早期的来自 SDSS, 2MASS, DPOSS 的发现


促进新的发现• 概念的发现 : 如相对论 , QM, 膜视界（ Brane World ） , 暴涨 …，观测可以促进理论的发展• 现象的发现 : 如暗物质 , 类星体 , GRBs, CMBR, 太阳系外行星 ,

模糊宇宙… 经验可以推出理论，也可以被理论所引导

新技术观测上的发现理论IT/VO (VO)

现象的发现 : 沿着某些参数空间 VO 是有用的新的联系 ( 如多波段信息 ) VO 可以起关键作用

理解复杂的天体物理现象要求复杂的信息数据（和数字模拟）？


VO 优越性• 促进新的科学，做更多更好的科学，做起科学来更便利

• 来自多种仪器的数据的对比研究• 产生和促进一些基于大型数据的定量的新科学 • 促使基于大型数据的科学更加便利效率放大器• 应用新的方法进行研究，研究融合数据产生单独的数

据所不能具有的价值（如多波段，多尺度，多时期的数据），加强了发现以前根本不可能发现的能力

• 通过对一些超过通常证认极限的数据（ R>25 ），虚拟天文台可以作边缘科学

• 利用多波段信息，对源进行统计证认


减小冗余 : 单一望远镜 / 仪器收集的数据可以被不同的研究者从事不同的科研目标时多次重复使用

数据整合 : 数据以统一的方式存档保证长期的科学使用

提高标准并创建更高一级的数据产品，使数据更好地为科学服务

VO 优越性


数据库的互操作 :- 加强与其他数据库，星表，摘要服务的联系并与文献相联

提高计算机，网络，数据压缩和存储技术 :- 以更低的代价来提取和分析更多的数据和信息

有效地为公众提供数据服务 :

- 终端用户的层次各不相同，从专业的天文学家到感兴趣的高中生和富有热情的业余爱好者

用新的软件工具进行数据挖掘，挖掘新表中的天体的性质 :

- 驱动针对某一时期的科学问题的更高一级的科学研究

VO 优越性


● 提高创建新的地面或空间项目的从准备，发展到最终的建立的效率

● 最优化各个大项目的科学产出● 提高和完善新的观测计划● 实现真实数据与模拟数据的对比– 为新的想法，新的模型，

新的物理提供反馈● 天文学家不需太多努力便可借助虚拟天文台工具研究观测参数空间的新的区域 ● 提供研究和发展的驱动器，应用试验床，同时带动相关学科的发展（如 IT，统计学，数据库等）

VO 优越性


VO 更广的科学和社会效益

• 专业水准的提高：任何科学家和学生通过互联网就可以做出一流的科学拓宽了参与天文学研究的群体，使该学科更具民主性。• 交叉学科的互相促进 - 虚拟天文台所面临的挑战，在其他学科也面临同样的课题。 - 智慧上的交叉成果可以反馈到 IT/CS 界• 教育和公众教育 - 无论从内容，地理分布上还是社会领域等各个层面都提供了史无前例

的机遇。 - 天文学是 IT/CS 教育的磁铁 “群众教育的武器”


国际虚拟天文台工作的机制

兴趣组Applications - Data CP - GGF Astro-RG - Theory

工作组

Data Access LayerData ModelingMeta Data (UCD)RegistryStds. & ProcessesVOEventVO Query LanguageVOTableWeb & Grid Service

Ivoa 执行委员会

秘书 ,Doc. Coord.(ivoa.net)

技术协调组


VO 体系结构


虚拟天文台工具

工具开发和发展的原则：

● 现有工具开发为面向虚拟天文台的工具

● 直接开发面向虚拟天文台的工具

● 工具在 VO中的有效集成


数据库

• DB2

• Oracle

• Sybase

• Postgres

• MySQL

支持空间查询：


SAADA

• 天文学家可以很容易地创建自己的数据库（图像，光谱，星表…）的工具，尽可能地使创建数据库的过程自动化。

• 该工具的功能包括 java 代码的生成，数据上传，自动的网页界面连接和一些其他的互操作特征。天文学家很容易建立记录之间的相关连接，使数据库富有科学内容。数据可以通过网页界面或处理过程获得。通过应用程序界面， SAADA 可以按照 VO标准与外部的数据库互操作，也将可以进行一些条件限制的查询。

• http://amwdb.u-strasbg.fr/saada/


数据融合工具和整合工具

• VizieR （数据融合）

• Aladin （数据整合）


交叉证认工具• Name Version Status Requirements Standalone Web Applet License VO Ready Notes

• VizieR ? 成熟无否是免费

是 • Open

SkyQuery 1.16 成熟 ? 无否是免费是

• Aladin 3.026 成熟 Java 是是免费

是 • TOPCAT 1.5 成熟 ? Java 是否免费是 • AstroGrid X-Corr/ Federation

prototype ? ? 无

http://wiki.eurovotech.org/bin/view/VOTech/T4Study?sortcol=0&table=1&up=0#sorted_table









http://vizier.u-strasbg.fr/

http://openskyquery.net/



http://aladin.u-strasbg.fr/aladin.gml

http://www.star.bris.ac.uk/~mbt/topcat/

http://barbara.star.le.ac.uk/datoz/xc1.html






数据分析和挖掘工具

Name Version Status Requirements Standalone Web Applet License VO Ready Notes

R 2.1.0 成熟无是否 ? 免费否可扩展的

统计软件包

Mirage 0.3+ Beta Java 是否免费是需要

VOTable/Registry

和 FITS 插件










http://www.r-project.org/

http://cm.bell-labs.com/who/tkh/mirage/

http://skyservice.pha.jhu.edu/develop/vo/ivoa/

http://skyservice.pha.jhu.edu/develop/vo/ivoa/

http://skyservice.pha.jhu.edu/develop/vo/ivoafits


数据挖掘项目

• 天文神经网络（ EURO-VO ）http://people.na.infn.it/~astroneural/

• GRIST: 基于网格的天文数据挖掘（ NVO ）http://grist.caltech.edu/index.html

http://people.na.infn.it/~astroneural/


ClassX

• ClassX: US-VO 和 GAVO 合作• 几个大的巡天数据

• X 射线 : ROSAT (BSC + FSC)

• 可见光 : SDSS, USNO B1.0

• 红外 : 2MASS

• 射电 : FIRST, NVSS, SUMSS

• 多波段 VO 应用


测红移工具

测红移的方法 :• HyperZ

http://webast.ast.obs-mip.fr/hyperz/• ANNz

http://www.ast.cam.ac.uk/~aac/• BayesZ

http://adcam.pha.jhu.edu/~txitxo/bayesian.html


光谱相关工具

• VOSED

http://sdc.laeff.esa.es/vosed/

• Specview:

http://www.stsci.edu/resources/software_hardware/specview


Comparison of observational and Comparison of observational and theoretical spectra using theoretical spectra using

VOSpecVOSpec

Model data scaling


可视化工具• VO版本的多维可视化工具 xmdv-lite http://software.astrogrid.org/votech/ds6/xmdv/• GGobi 数据可视化系统 http://www.ggobi.org/• 多变量可视化系统 XGobi

http://www.research.att.com/areas/stat/xgobi/• XmdvTool http://davis.wpi.edu/~xmdv/• 开源的可视化数据探测器 http://www.research.ibm.com/dx/• 可视的数据挖掘和数据库研究系统

http://www.dbs.informatik.uni-muenchen.de/dbs/projekt/visdb/visdb.html

• 在线的信息可视化环境库• http://otal.umd.edu/Olive/

http://www.ggobi.org/

http://www.research.att.com/areas/stat/xgobi/




可视化工具-- SkyWalker 在一个网页内发布巨大图像的方法

http://www.g-vo.org/portal/tile/home/external/extern-soft/skywalker/index.jsp

-- SkyView (Internet VO) 网络虚拟天文台可以浏览从射电波段到 Gamma 波段的天空的任何一部分图像

http://skyview.gsfc.nasa.gov/

-- PMViewer可视化 N 体模拟的数字模拟结果 , 例如：

* GADGET ：无碰撞的气体动力学模拟的程序 * ART AdaptiveRefinementTree

* MLAPM Multi Level Adaptive Mesh Particle Meshhttp://www.aip.de/People/AKnebe/MLAPM/

http://www.g-vo.org/portal/tile/home/external/extern-soft/skywalker/index.jsp

http://www.g-vo.org/portal/tile/home/external/extern-soft/pmviewer.jsp

http://www.aip.de/People/SGottloeber/CosSim/

http://www.aip.de/People/AKnebe/MLAPM


VOPlot

• VOPlot 是印度虚拟天文台开发的 Java程序，可以花不同的天文图，数据格式 VOTable.

• VOPlot 有两种版本桌面版本和网页版本。其中网页版本集成在 VizieR 星表服务中。可以对任何星表作图。

• 桌面版本可以通过下列网址获得： http://vo.iucaa.ernet.in/~voi/voplot.htm.


VisIVO : VisIVO : 可视化工具可视化工具基于网格的数据 :•等势面•三维立体图

类点数据 : •像素•用颜色表示标量•用不同的大小和形状表示标量


VO桌面调用服务 ACR

• ACR 是英国网格开发的应用界面，可以直接调用 VO 服务，隐藏起系统的复杂性（例如：配置，认证，服务类型）。

• ACR 可以通过 JavaRMI, XMLRPC 或 HTTP创建。目前可以用 Python, Perl, Java, C++ 和 C#调用。界面不仅适合简单的脚本工作（例如自动运行一批天文查询和处理程序），而且运用其他的用户界面也可以获得 VO 服务（例如 Aladin ）。

http://software.astrogrid.org/developerdocs/index.html




协同工作平台 TWiki

• 一个可扩展的，强大的，安全的，但简单的基于网页的合作平台。

• 用 TWiki 可以通过内部网或外部网管理一个项目，文件系统管理，知识和工具同组成员共享。

• http://wiki.eurovotech.org/bin/view/TWiki/WebHome#TWiki_User_s_Guide

http://wiki.eurovotech.org/bin/view/TWiki/WebHome#TWiki_User_s_Guide

http://wiki.eurovotech.org/bin/view/TWiki/WebHome#TWiki_User_s_Guide


如何显示 VO 的科学价值？

• 科学演示

• 科学论文

• 科学项目


AVO 科学范例

• 河外：被遮挡的 II 型类星体的发现星系中的恒星形成历史

• 河内：年轻恒星天体（ YSO ）的分类恒星从 AGB 到 PN 的过渡阶段的演化


以 Aladin为例研究疏散星团


总结和展望

• 虚拟天文台正从孩提时代步入少年时代，各种资源具备，可是还缺乏系统地有效地整齐化一并融合为一个整体，正处于“百花齐放，百家争鸣”的时代，各个项目都在努力突出自己的特点和长项，而且都在遵守国际虚拟天文台联盟提出的标准。

• 虚拟天文台正从“虚拟”变为“现实”，“理论”到“实践”，“技术”向“科学”靠近，逐步以“科学”为主旋律前进，这一理想的实现需要大家群策群力。

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