近日,由中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)安濤研究員帶領(lǐng)的國(guó)際合作團(tuán)隊(duì),基于深度優(yōu)化處理技術(shù),對(duì)在瞬變天文現(xiàn)象的觀測(cè)中所使用的探測(cè)管線進(jìn)行了重大改進(jìn)。團(tuán)隊(duì)使用了WSClean軟件實(shí)現(xiàn)的 w疊加算法,使管線的整體處理效率提高了三倍。團(tuán)隊(duì)還進(jìn)一步將優(yōu)化的管線集成到Data Activated Liu Graph Engine(DALiuGE) [1]中,使該瞬態(tài)探測(cè)管線能夠支持未來(lái)超級(jí)計(jì)算機(jī)上的大規(guī)模成像工作流,使其成為世界上最大的射電望遠(yuǎn)鏡——平方公里陣列(Square Kilometre Array,SKA)即將到來(lái)的數(shù)據(jù)洪流 [2]的解決方案。相關(guān)研究成果于12月1日發(fā)表在《皇家天文學(xué)會(huì)月刊》(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)上。
宇宙中的天體變化萬(wàn)千。這些天體通常與極高能量的天體物理現(xiàn)象有關(guān)。這些對(duì)象為天文學(xué)家提供了從觀測(cè)和理論兩個(gè)角度深入研究高能宇宙的獨(dú)特機(jī)會(huì)。許多不同的宇宙學(xué)距離的瞬態(tài)源已被發(fā)現(xiàn),包括伽瑪射線暴和快速射電暴,使它們成為了從早期宇宙直到宇宙再電離時(shí)期的宇宙探測(cè)器。盡管已經(jīng)有了許多重要的發(fā)現(xiàn),但這個(gè)領(lǐng)域的研究仍然面臨著許多挑戰(zhàn),例如如何有效地處理和分析大規(guī)模的天文觀測(cè)數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的探測(cè)管線處理效率低下,無(wú)法滿足大規(guī)模天文觀測(cè)的需求,因此,提高管線處理效率,提高探測(cè)精度,以及優(yōu)化成像質(zhì)量等問(wèn)題成為了科學(xué)家們需要進(jìn)一步研究的關(guān)鍵問(wèn)題。
針對(duì)提升探測(cè)管線處理效率、滿足大規(guī)模天文觀測(cè)的需求,由中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)安濤研究員帶領(lǐng)的國(guó)際團(tuán)隊(duì),使用了WSClean軟件實(shí)現(xiàn)的 w疊加算法,對(duì)原有的ASKAP Variables and Slow Transients(VAST)巡天的瞬態(tài)檢測(cè)管線進(jìn)行了重大改進(jìn)。在實(shí)施改進(jìn)過(guò)程中,科學(xué)家們面臨了兩個(gè)主要挑戰(zhàn)。首先,傳統(tǒng)的 w投影算法雖然在處理天文圖像時(shí)效果良好,但在處理大規(guī)模數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)顯著降低處理效率。其次,由于天文圖像的復(fù)雜性,傳統(tǒng)算法生成的殘留圖像可能包含噪聲和偽影源,這將影響檢測(cè)的精確性。
為了解決這些問(wèn)題,研究團(tuán)隊(duì)首先替換了原有的 w投影算法,并采用了WSClean軟件實(shí)現(xiàn)的 w疊加算法。這是一種新穎的處理方法,不僅能大幅提高處理效率,還能減少噪聲和偽影源,從而提高檢測(cè)精度和成像質(zhì)量。此外,研究團(tuán)隊(duì)還將優(yōu)化后的VAST檢測(cè)管線整合到了專為SKA規(guī)模的大數(shù)據(jù)處理而設(shè)計(jì)的DALiuGE執(zhí)行框架中,進(jìn)一步提高了管線的性能和可擴(kuò)展性(圖1)。
圖1,優(yōu)化的瞬態(tài)檢測(cè)管線流程圖,專門為處理和分析VAST數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)。ASKAP瞬態(tài)檢測(cè)管線為從ASKAP原始可見(jiàn)度數(shù)據(jù)在線處理到瞬態(tài)檢測(cè),最終生成瞬態(tài)目錄。而本次工作的對(duì)這個(gè)過(guò)程優(yōu)化的重點(diǎn)集中在數(shù)據(jù)處理和分析的中心階段(如圖紅圈所示)
圖2,此圖顯示了使用優(yōu)化管線檢測(cè)到的變?cè)吹纳疃葓D像,每張小圖中心的紅十字標(biāo)記表示變?cè)吹姆逯滴恢?。顯示了優(yōu)化后的瞬態(tài)檢測(cè)管線在瞬態(tài)探測(cè)領(lǐng)域的研究體現(xiàn)出了探測(cè)精度和成像質(zhì)量方面的優(yōu)勢(shì)。
本次研究表明,開發(fā)高度自動(dòng)化、可靠和快速的成像管線對(duì)于處理來(lái)自未來(lái)巡天的海量數(shù)據(jù)至關(guān)重要。類似的工作正在中國(guó)SKA區(qū)域中心開展,在近期的中澳2023年ACAMAR宇宙磁學(xué)研討會(huì)上,科學(xué)家們就為ASKAP POSSUM等天文巡天部署和優(yōu)化了軟件。
中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)高級(jí)工程師徐志駿表示,本次工作解決了天文學(xué)家在處理大規(guī)模天文觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)面臨的重要問(wèn)題—— w疊加算法的使用不僅顯著提高了瞬態(tài)探測(cè)管線的處理效率,也提高了探測(cè)精度和成像質(zhì)量,這為幫助天文學(xué)家理解宇宙中的瞬態(tài)現(xiàn)象提供了重要的分析工具。
“此次成果不僅是技術(shù)上的突破,還將為我們未來(lái)的科研工作打開新的可能。我們現(xiàn)在能夠更有效地處理和分析大規(guī)模的天文觀測(cè)數(shù)據(jù),這意味著我們能夠探測(cè)到更多以前無(wú)法觀測(cè)到的天體,從而揭示更多關(guān)于宇宙的秘密。”論文第一作者兼通訊作者、中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)研究員安濤展望道,“這項(xiàng)工作的影響力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了瞬態(tài)探測(cè)這一領(lǐng)域。優(yōu)化的瞬態(tài)探測(cè)管線同樣能夠應(yīng)用于其他ASKAP成像管線,為我們提供了一種實(shí)用的優(yōu)化解決方案。未來(lái),我們期望看到更多的科研團(tuán)隊(duì)能夠利用這一技術(shù),推動(dòng)我們對(duì)宇宙的理解進(jìn)一步深入?!?
本次研究得到SKA暫現(xiàn)源專項(xiàng)和中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)的支持。
參考文獻(xiàn):
[1] Wu C., Tobar R., Vinsen K., et al. 2017, A&C, 20, 1, https://github.com/ICRAR/daliuge
[2] Wang R., Tobar R., Dolensky M., An T., et al.2020, hpcn.conf, 1, 11
[3] Wang Y., Tuntsov A., Murphy T., et al. 2021, MNRAS, 502,3294
拓展閱讀:
科學(xué)聯(lián)系人:
安濤,中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái),antao@shao.ac.cn
徐志駿,中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái),xuthus@shao.ac.cn