MPE Jahresbericht 2002 / MPE Annual Report 2002

3.
Experimentelle Entwicklung und Projekte /
Experimental Development and Projects

3.6   Astronomie / Astronomy

3.6.1   Astro-WISE / Astro-WISE

Die europäische Initiative Astro-WISE (Astronomical Wide-field Imaging System for Europe) wird die Software-Werkzeuge entwickeln, um die Daten der neuen Generation von Durchmusterungskameras zu reduzieren und die entstehenden Datenarchive der Allgemeinheit nutzerfreundlich zugänglich zu machen (sogenanntes "data-mining"). Diese Initiative kombiniert die Anstrengungen der Europäischen Südsternwarte (ESO) und mehrerer nationaler Datenzentren innerhalb der EU, um die enormen Datenmengen (20 Tbyte/Jahr) dieser Himmelsüberwachungskameras beherrschbar für den einzelnen Astronomen zu machen. Dabei fließen die Erfahrungen der einzelnen Partner ein, um optimierte Software-Pakete zu entwickeln, die dann insbesondere auch auf verschiedenen Hardwarekonfigurationen, wie sie in den verschiedenen Instituten vorliegen, lauffähig sein sollen. Die Benutzer sollen dann eigenständig die komplette Kalibration, Daten-Analyse sowie Quellextraktion durchführen können. Die neu zu entwickelnden Software-Werkzeuge sollen ein dynamisches Archiv erzeugen, das sowohl parallele Bearbeitung sehr großes Datenmengen als auch "on-the-fly-reprocessing" erlauben. Astro-WISE wird damit die erste lauffähige Realisierung eines virtuellen Observatoriums.


The Astro-WISE (Astronomical Wide-field Imaging System for Europe) programme will provide an astro-nomical survey system by creating the tools necessary to reduce and mine the data produced by the new generation of wide-field sky survey cameras. The programme coordinates and significantly enhances the efforts by ESO (European Southern Observatory) and national data centres throughout the EU and prepares for the enormous increase in data rates (20 Tbyte/year) from sky survey cameras. The programme consolidates the common expertise of the partners and co-ordinates the development of software tools including an exchangeable computing infrastructure with which users can calibrate, analyse, and extract sources from wide-field images. The programme has ambitious goals in terms of "on-the-fly-reprocessing", parallel processing, data-basing of very large data volumes, designing and creating dynamic archives, and federating data volumes over the various national data centers involved. Astro-WISE will become one of the first operational Virtual Observatory systems.

Moderne Durchmusterungen des Himmels / Wide-field Imaging of the Sky

Die rasante Entwicklung der CCD Detektor Technologie erlaubt nunmehr, den gesamten Himmel in bislang ungeahnter Qualität abzubilden, sowohl in bislang unerreichter Tiefe der einzelnen Aufnahmen als auch ihrer Auflösung. Gleichzeitig wird es möglich sein, dieses Ziel für eine Vielzahl unterschiedlicher Farbfilter zu ermöglichen. Speziell zu diesem Zweck entwickelte Grossfeld-CCD-Kameras sind sowohl für Teleskope des Nord- wie des Südhimmels kurz vor der Vollendung. Am ESO-Observatorium Paranal (Chile) ist ein neues Teleskop, das VST mit dem Instrument OmegaCAM in Entwicklung, das vor allem Objekte für Detailuntersuchungen mit den 8m Teleskopen des ESO-VLT liefern soll (siehe 3.6.2). The recent rapid development of large digital CCD detectors allows deep and ultra-sharp imaging on previously unheard of scales (i.e. the complete sky), in a multitude of different filters. In both the northern and southern hemisphere dedicated wide field imaging cameras are in advanced phases of construction. At ESO's Paranal (Chile) site a new telescope is under construction which will be entirely dedicated to the wide-field imaging (s.a. OmegaCam) of the sky - the 8m VLT Survey Telescope (VST) (see 3.6.2).
Die enorme Datenrate dieser modernen Durchmusterungssysteme bringt die Astronomie an den Rand der Leistungsfähigkeit moderner Informationstechnologie. Für OmegaCAM wird die jährliche Rohdatenrate bei ca. 30 Terabytes (1 Tbyte = 1000 Gbyte) in Bilddaten liegen, die nach der Bild-Datenreduktion immer noch 10 Terabyte im Jahr darstellen. Dabei wird jedes
OmegaCAM Bild ca. 105 astronomische Quellen beinhalten und die daraus erstellten Kataloge mit Quellpositionen, Helligkeiten, Morphologien, und Farben werden im Datenumfang auf immer noch ca. 1 Terabyte/Jahr geschätzt.
The enormous data volumes produced by this wide-field imager brings astronomical research to the edge of modern information technology. For OmegaCAM, an annual rate of about 30 Tbytes (1 Tbyte = 1000 Gbyte) of raw science image data is expected, which after reduction will deliver about 10 Tbytes/year of image data ready for scientific research. Each Omega-CAM image will contain about 105 astronomical objects and the estimated yearly production of tables describing the properties of these objects (brightness, position, shape descriptors, colour) will be of the order of 1 Tbyte/year.
Diese neue Beobachtungstechnik ist massiv im Vormarsch: VST und OmegaCAM werden voraussichtlich 2004 den Betrieb aufnehmen, das nördliche Gegenstück, MegaCAM, wird von Französischen Astronomen zur Zeit in Hawaii in Betrieb genommen. In wenigen Jahren schließlich wird ESO das Teleskop VISTA auf dem Paranal installieren, das entsprechende Durchmusterungen im nahen Infrarot ermöglichen wird.


This new branch of observational astronomy is now well on its way: the VST and OmegaCAM will be delivered in 2004, and in Hawaii, French astronomers plan to commission the Northern hemisphere counter-part camera (MegaCAM). A few years later, ESO will install VISTA at Paranal, a wide-field telescope optimised for near infrared wavelengths.

Ein Durchmusterungssystem für Europa / An Astronomical Wide-field Imaging System for Europe

Im Rahmen von Astro-WISE werden nationale Datenzentren in Deutschland, Italien, Frankreich und den Niederlanden die Benutzer unterstützen und ihnen die notwendige Infrastruktur an Rechenleistung und Speichermedium zur Verfügung stellen. Diese Zentren werden Beowulf-Cluster mit 32 Knoten unter dem Betriebssystem Linux betreiben und mehrere Terabyte an direkt adressierbaren Speicherplatz zur Verfügung haben. Kleinere Satellitensysteme gleichartiger Architektur sind ebenfalls geplant (z.B. in Leiden und Padua). Diese Datenzentren haben zusammen mit ESO eine Kollaboration gestartet, um ein gemeinsames Durchmusterungssystem zu etablieren, das die komplette Reduktion der großformatigen Himmelsaufnahmen erlaubt und den einzelnen Forscher dabei unterstützt, dem Datenstrom die für seine Arbeit relevante Information zu entnehmen. Diese Partnerschaft der Zentren bezieht sich sowohl auf die gemeinsame Entwicklung von Softwarewerkzeugen als auch den Austausch bereits existierender Expertise und Programmen wie auch von Daten (Abb. 3-26). In the context of Astro-WISE, national data centres in Germany, Italy, France, and the Netherlands, will support their users' community and provide the infrastructure for the processing, storage, and distribution of these enormous data volumes. The centres will operate Beowulf Linux 32-node computer clusters and provide many Terabytes of direct access storage. National data centers will also replicate to smaller satellite centres (e.g. Leiden and Padua). These national centres have started a partnership, together with ESO, to commonly build a survey system to reduce and disseminate wide-field imaging data and support individual scientists in their research with the data. The partnership involves the building of software tools and the exchange of both expertise and image data, as well as all auxiliary data and code (Fig. 3-26).
Abb. 3-26: Illustration des Datenumfanges, der im Falle von OmegaCAM erwartet wird: Das oberste Diagram zeigt den Südhimmel in einem 10°x10° Raster. Das Gesichtsfeld, das OmegaCAM in einer Belichtung abdeckt ist durch das kleine Quadrat symbolisiert. Rechts sieht man eine simulierte Aufnahme von OmegaCAM, die die Bildstruktur der 32 CCD Chips veranschaulicht. Links wird an Hand einer echten Aufnahme der BTC Kamera am Mayall Teleskop ein typischer Himmelsausschnitt, wie ihn ein einzelner dieser CCD Chips aufzeichnet, dargestellt. Ganz unten sieht man aus diesem Bild eine Ausschnittsvergrößerung, die den vollen Informationsgehalt erst deutlich macht. Obwohl dieser Ausschnitt lediglich 1/95 eines einzelnen OmegaCAM Feldes entspricht, enthält er bereits mehr als 1500 Quellen.

Fig. 3-26: An Illustration of the volume of data expected from an OmegaCAM sky survey. Top: The Southern sky with a 10° by 10° raster. The size of the field covered by a single OmegaCAM exposure is shown as a small square. Right: A Simulated Omega-CAM exposure, with the 32-CCD mosaic clearly visible. Left: An actual CCD image, made with the BTC camera on the CTIO Mayall telescope (covering the same amount of sky as each OmegaCAM CCD). The lower image is a sub section of the CCD displayed at the resolution of the printed page. Although it measures a mere 1/95 of a single OmegaCAM field, it contains more than 1500 sources.

Die wissenschaftlichen Zielsetzungen von Astro-WISE sind daher: (i) Entwicklung, zur Verfügungstellung und Pflege des Zugangs zur Computerumgebung, in der die Bilddaten verarbeitet werden können; die EU-einheitliche Umgebung wird dabei sowohl die stetig aktualisierte Kalibration als auch Reduktionssoftware enthalten. (ii) Entwicklung und Verteilung von Software-Werkzeugen, die den Zugang und die Darstellung der Bilddaten im Terbyte-Bereich adequat erlaubt. (iii) Die Entwicklung der Infrastruktur, um diese Bilddaten im Rahmen des Konzeptes des virtuellen Teleskops zu nutzen. Das Erreichen dieser Zielsetzung mit Terabyte-Datenmengen unterscheidet sich vom derzeit verfolgten Konzept, in dem Rohdaten durch eine Standard-Pipeline geschickt werden und oft fertige Kataloge direkt erstellt werden. Im dynamischen Astro-WISE Konzept werden die Daten aller Art über das Netzwerk der Datenzentren verteilt und Ergebnisse können aktualisiert und neu verknüpft werden. Dadurch wird die Arbeitsbelastung effektiv über alle Partner verteilt und die Erstellung wissenschaftlicher Resultate profitiert von den Beiträgen, die an allen beteiligten Stellen geleistet werden. So kann der einzelne Benutzer die Ergebnisse sowohl von Standardreduktionen als auch von anderen Nutzern abfragen, aber auch eigene Beiträge leisten - der erste notwendige Schritt zum virtuellen Observatorium. Weitere detaillierte Information findet man auf folgender web-Seiten: http://www.Astro-WISE.org/ The specific objectives of Astro-WISE are: (i) To develop, maintain and provide access to a computational environment to process wide-field imaging data; the EU-wide shared environment will house both up-to-date calibration data and software to process the raw data. (ii) To develop and disseminate software tools needed to access the wide-field image data (e.g. search and visualisation tools scalable to Tbyte regimes). (iii) To provide infrastructure for the production and dissemination of survey data to be accessed by virtual observatories. The implementations of these objectives in the Terabyte regime differ from the current approach in which raw data is processed with a standard pipeline to deliver a catalogue. Instead, with Astro-WISE's dynamical approach the results can be re-derived. The various calibration data and other input files are distributed over the network which connects the data centres. This way the manpower load is efficiently spread over the community and for the production of survey results, each site benefits from the work done elsewhere. A given user can query the system but can also re-derive results with the addition of his own "plug-ins". The system would provide a first necessary step towards the building of a Virtual Observatory. For more information see web page: http://www.Astro-WISE.org/

3.6.2   OmegaCAM / OmegaCAM

Abb. 3-27: Mechanisches Design von OmegacCAM. Blick von oben auf die Fokalebene, man erkennt die Plätze der Filtermagazine sowie den Platz im Strahlengang eines der jeweils 27.2x27.2 cm großen Filter. Das Gesamtgewicht einschließlich der Steuerelektronik wird über 1000 kg liegen und der Durchmesser ist fast 2 m.

Fig. 3-27: Design drawing of OmegaCAM looking down on the focal plane. The individual filters (each 27.2x27.2cm in size) and filter array is shown in light grey. The total instrument and electronics will weigh more than 1000 kg and have an overall diameter of almost two meters.

Abb. 3-28: Der von der Universität Bonn bereits fertiggestellte Belichtungsverschluss von OmegaCAM im Größenvergleich zu einem notebook.

Fig. 3-28: The shutter for OmegaCAM as completed at the Universität Bonn. A laptop has been placed in the field opening for scale.

OmegaCAM wird das einzige Gerät des 2.6m VLT Survey Telescope (VST) am Paranal Observatorium der ESO sein und auf Grund des Gesichtsfeldes von einem Quadratgrad großflächige optische Durchmusterungen erlauben. Die Inbetriebnahme wird im Sommer 2004 erwartet. OmegaCAM wird von einem internationalen Konsortium von vier Instituten gebaut, wobei jedes der Institute (außer ESO) in seinem Land wiederum Konsortialführer einer nationalen Arbeitsgemeinschaft ist. OmegaCAM is a 1°x1° wide-field, optical camera intended as the sole instrument for the 2.6m VLT Survey Telescope (VST), expected to become operational at ESO's Paranal observatory during the year 2004. OmegaCAM is being built by a consortium of institutes with each, in turn, coordinating contributions of further institutes in several European countries.
Das VST zusammen mit OmegaCAM werden eine reine Durchmusterungseinheit darstellen, die in der vorgesehenen Betriebszeit von 10 Jahren einen erheblichen Teil des von Chile aus sichtbaren Himmels (30000 Quadratgrad) erfassen kann. Dies wird nur möglich auf Grund des ambitioniertes Designs des Gerätes. OmegaCAM wird gleichzeitig 32 große CCDs zur wissenschaftlichen Aufnahme betreiben, die ein Bildfeld von 16384x16384 Pixel, jedes mit 0.2"/pixel, aufspannen. Darüber hinaus werden vier CCDs zur Kontrolle der Nachführung und der optischen Aberation des Teleskops ständig arbeiten. Das Bildfeld der Kamera hat eine Kantenlänge von einem Grad und kann den Vollmond viermal überdecken. Damit ist OmegaCAM die größte Digitalkamera der Welt (Abb. 3-27 und 3-28). Würde man ihr Bild mit der Standardauflösung von Computerschirmen darstellen benötigte man einen Schirm von 20 m2 Größe. OmegaCAM and the VST will act as a pure survey instrument. During its 10 year mission OmegaCAM will map a large fraction (30000 square degrees) of the visible sky in Chile. To achieve this extraordinary area, OmegaCAM combines 32 CCD detectors (with a further four CCDs used for guiding and image quality control) to create a 16384x16384 pixel array. At a pixel scale of 0.2"/pixel this implies a field of view of one square degree (equivalent to 4 full moons), making OmegaCAM the worlds' largest digital camera (Fig. 3-27 and 3-28). Expressed in standard computer monitor resolution, an OmegaCAM exposure would result in a picture measuring more than 20 m2, whereas the size of the total survey would be almost one square kilometre.
OmegaCAM wird es ermöglichen, sichere Statistiken auch für weit entfernte Objekte abzuleiten und so ihre astrophysikalische Bedeutung besser einschätzen zu können. Seltene Objekte werden effizient gesucht werden können. OmegaCAM wird diese Eigenschaften sowohl im Rahmen allgemein zugänglicher Durchmusterungen als auch im Rahmen dezidierter Projekte entwickeln können, die nahezu den gesamten Bereich der Astrophysik tangieren - von den Planetoiden des Kuiper-Gürtels über die Suche entfernter Supernovae, die Beobachtung von Gamma-Ray Bursts und hoch-rotverschobenen Galaxien und Quasaren genauso wie dem Studium der Dynamik unserer Milchstrasse durch die Ermittlung der Eigenbewegung von Milchstraßensternen. Eine wesentliche Rolle spielt OmegaCAM und das VST auch als Suchmaschine für Objekte, deren detailliertes Studium den Einsatz der großen 8m Spiegel des VLTs lohnt - VST und OmegaCAM sind gewissermaßen die Spürhunde des VLTs. Weitere Informationen kann man auf den OmegaCAM homepages der Institute finden: http://www.astro.rug.nl/~omegacam/
http://ariete.pd.astro.it/
http://www.eso.org/instruments/omegacam/
OmegaCAM will be instrumental in providing statistics on large samples of objects, as well as finding unusual rare objects. Aside from its role in providing large area public surveys, a large number of individual science programmes have been proposed. These include searches for supernovae, Kuiper belt and Oort cloud objects, gamma ray bursts, and high proper motion objects, as well as mapping large scale structures, Galactic halo populations, and high redshift galaxies and quasars. Clearly, the VST and Omega-CAM will provide a veritable flood of objects for follow-up observations with the VLT telescopes. For more information, please see the related web pages at: http://www.astro.rug.nl/~omegacam/
http://ariete.pd.astro.it/
http://www.eso.org/instruments/omegacam/
Das Projekt Astro-WISE wurde durch die Europäische Union gefördert. Das OmegaCAM-Projekt durch das BMBF. The project Astro-WISE was supported by the Europäische Union. The OmegaCAM-Project by BMBF.
[Bender, Hopp]

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