1. 虚拟天文台 Virtual Observatory National Virtual Observatory

2. 什么是虚拟天文台 ? 它与数据库有什么区别 ? 它为什么称为天文台 ? 它与实在天文台有什么区别 ? 它在天文学的发展中有什么作用 ? 为什么现在才提出虚拟天文台 ? 它需耍什么样的支持条件 ? 它面临怎样的技术挑战 ? National Virtual Observatory

3. The National Virtual Observatory • National • distributed in scope across institutions and agencies • available to all astronomers and the public • Virtual • not tied to a single “brick-and-mortar” location • supports astronomical “observations” and discoveries via remote access to digital representations of the sky • Observatory • general purpose • access to large areas of the sky at multiple wavelengths • supports a wide range of astronomical explorations • enables discovery via new computational tools National Virtual Observatory

4. 虚拟天文台建成前: 利用大样本巡天/数据库 的例子 National Virtual Observatory

5. High Redshift Quasars • Several z>5 QSOs discovered by SDSSin the early test data National Virtual Observatory

6. Methane/T Dwarf SDSS T-dwarf (June 1999) • Discovery of several newobjects by SDSS & 2MASS National Virtual Observatory

7. DPOSS Discoveries National Virtual Observatory

8. New Neighbor of the Milky Way • Finding new galaxies by spatial clustering of red objects • New galaxy is about 30 million light years away • Larger than most of the spiral galaxies in the Messier Catalogue • Clearly visible in the 2MASS infrared image • Expect to find 1000’s of such galaxies with 2MASS Optical Infrared National Virtual Observatory

9. 用户需要做的事情: 1. 提出科学思想, 及对数据库的需要 2. 检索数据库 (用户到不同站点寻找) 3. 下载所需的数据 (x TB ? 包括各种元数据, 定标数据……) 4. 对数据进行标准化处理 (需要软件平台) 5. 数据的匹配 (如果使用二个以上数据库的资料 ) 6. 发展各种软件工具 (可视化, 统计工具… … ) National Virtual Observatory

10. 为虚拟天文台 设计的几个例子 National Virtual Observatory

11. 例＃1：活动星系核（AGN）的 全波段研究 背 景 AGN的高光度: 使他们在很大的宇宙距离上可见 AGN代表了星系演化的一个基本阶段, 在观测上，由於AGN的光谱能量分布比一般黑体谱宽 很多, 易于从恒星中分辨出来。 但是，红移，光变，（可能很大的）被遮挡，以及内 禀光谱形状与特征的不同, 导致从X射线到射电波段的“ 颜色” 有很大的范围。 National Virtual Observatory

12. 科学目标 • 这个课题旨在建立一个完整的AGN的样本以便: • ◎检验观测到的特性是由外在因素, 如, 指向或遮挡所 • 决定的想法（所谓统一模型）。 • ◎比较AGN环境对AGN类型的影响，例如其射电特征 • 与星系团成员的关系。 • ◎了解AGN光度函数的演化，特别是区分数目演化和 • 光度演化。 • ◎在不同波段上建立AGN光度函数，由此来了解在统 • 计意义上AGN特性的演化过程。 National Virtual Observatory

13. 课题概要 1 联合几个（N）巡天, 它们覆盖同一（足够大）天区，并跨 越很大的波长范围（从X射线到射电） 2 包含元数据信息, 以便考虑巡天选择效应及其局限性。相 关的元数据将包括巡天天区，波段范围，流量极限等等 3 在合成后得到的N维多色空间中认证可以辨认的天体“云” 4 利用已有的天文数据（比如发表的星表，理论模型）以了 解这些“云”的成分。 5 在联合数据中认证AGN候选体。注意可能需要新的观测 来证实。这种证认可能是统计性的，给出某一天体是AGN 的几率。 6 利用星表的性质加上/或者从图像库的进一步的测量来提出 科学问题。 National Virtual Observatory

14. 对NVO功能的需求 ◎对相关巡天的联合，包括在不同波段巡天上天体的交 叉认证以及元数据的交换与融合。 ◎用团分析区分“片”与“链”。包括导向分析（由天文知 识引导去确证与分析）与无导向分析（识别新模式）。 ◎多维数据的可视化。 ◎在多维参量空间对定义的天区进行天体成分的统计分 析与分类。 National Virtual Observatory

15. 例＃2：大尺度结构的形成与演化 背 景 星系团代表了已知最大的明确的质量结团现象, 不同的早期宇宙演化模型预言了不同的星系团的 形成和演化。这些模型可以通过将预言与观测的 星系团的质量和光度函数进行比较加以验证 National Virtual Observatory

16. 科学目标 这个项目的目标是建立无偏的, 在宇宙学意 义上有相当红移跨度的星系团样本，通过 与观测到的质量和光度函数随红移演化的比 较, 来检验各种结构形成与演化的模型。另外， 这些样本也可以用来研究星系的形态——密 度关系及其在特定时间尺度上的演化。 National Virtual Observatory

17. 项目概述 1 通过以下不同方法, 利用多波段象素数据生成统计星 系团样本： X射线巡天： 从图像数据中的热气体发射认证星系团 光学/红外巡天： 把图像数据与设计好的核卷积挑选星系团 毫米波巡天： 由 Sunyaev-Zel‘dovich 效应引起的 CMB 温度变化来认证星系团 射电巡天： 根据标志星系团环境的射电源形态来认证 星系团 2 比较不同选择方法的结果。定量给出选择效应作为星系团质 量，密度，红移等的函数 3 运用多种距离指示器或者红移估计来补充星系团的观测特性 National Virtual Observatory

18. 对NVO功能的需求 ◎根据用户定义的算法和工具对大量图 像数据进行处理 ◎模拟巡天以了解选择效应; 用模拟检 验用户定义的工具 ◎根据不同的理论预测观测样本特性。 与观测样本作比较。 National Virtual Observatory

19. 例＃3：数字银河系 背 景 银河系在结构上由多种成分组成：晕，薄盘，厚盘，核球，旋臂。每一部分由在年龄，质量，化学组分，轨道（位置与运动）等分布上相关的星族, 以及如气体和尘埃等非恒星物质的分布来表征。它们是反映银河系形成过程的化石，从整体上说, 对这些结构的全面理解从来没有实现过, 因为要同时定出所有变量所需的样本之大，使得研究非常难于进行。 National Virtual Observatory

20. 科学目标 这个项目要建立一个非常大的银河系恒星样本, 以及尽可能多的关于每一个天体物理特性的信息。这些资料加上银河系非恒星物质的分布图将用来： ◎产生银河系参数化的模型，包括位置和运动 信息 ◎把这个模型同根据不同形成过程的银河系结 构模型进行比较 ◎特别要寻找代表并合事件或潮汐碎片痕迹的 共动天体群 National Virtual Observatory

21. 项目概述 1 合并各种光学和红外巡天来产生出彼此匹配的星表 2 利用位置，星等和颜色来建立三维恒星分布。这需 要用颜色来得到光度型并估计消光 3 根据远红外,HI和CO图像, 定量得出尘埃分布和遮挡 4 反复迭代项 2 直至自洽 5 用红外和射电图像来确定恒星形成区的整块流动和 位置信息 6 用自行巡天（如果有可能，加上视向速度信息） 推 导出恒星子集的运动 7 用多次历元的成像寻找变星。利用它们检验距离 National Virtual Observatory

22. 对NVO功能需求 ◎联合多波段和多次历元的星表 ◎以用户自定义工具对大量图像数据进行处理 ◎大量多维数据的可视化 ◎成分分析及寻找相关天体群的统计工具 National Virtual Observatory

23. Examples: non-local queries • Find all objects within 1' which have more than two neighbors with u-g, g-r, i-K colors within 0.05m • Find all star-like objects within dm=0.2 of the colors of a quasar at 5.5<z<6.5, using all colors in all available catalogs • Find galaxies that are blended with a star, output the deblended magnitudes • Provide a list of moving objects consistent with an asteroid, based on all the surveys, estimate possible orbit parameters • Find binary stars where at least one of them has the colors of a white dwarf, within the error boxes of hard x-ray sources National Virtual Observatory

24. 时 代 National Virtual Observatory

25. 两百多年来，天文研究通常都是单个天文学家或者天文学家小组进行为数有限的天体的观测。两百多年来，天文研究通常都是单个天文学家或者天文学家小组进行为数有限的天体的观测。 National Virtual Observatory

26. 过去天文学家常常花整个一生所获得的资料, 仅仅够得出有统计意义的结论。加上威力大的设备的观测时间是非常有限，那些需要大量数据来解决的天体物理问题就不能进行研究 National Virtual Observatory

27. 现在情况正发生着巨大而迅速的改变. 这一改变是由过去几十年中发生的前所未有的技术进展所推动的. 这场天文学上革命性改变的主要领域集中在以下几个方面：望远镜的设计和制造，大尺度探测器阵列的开发，计算能力的指数增长以及通信网络不断增长的覆盖面积和容量 National Virtual Observatory

28. 如同 Moore 定律反映计算能力随时间指数增长，在过去10年中观测天文技术的进步对天文发展也可以用 Moore定律来描述。 National Virtual Observatory

29. HST Data Archive Several Terabytes/year Already more retrieval than ingest! National Virtual Observatory

30. Trends • Future dominated by detector improvements • Moore’s Law growth in CCD capabilities • Gigapixel arrays on the horizon • Improvements in computing and storage will track growth in data volume • Investment in software is critical, and growing Total area of 3m+ telescopes in the world in m2, total number of CCD pixels in Megapix, as a function of time. Growth over 25 years is a factor of 30 in glass, 3000 in pixels. National Virtual Observatory

31. 更多的地面和空间大口径天文设备的出现将会有一个严重且必然的结果：数据流极大地增加。比如目前 HST 每天大约产生 5Gb 的数据，而最近AASC巡天推荐建造的设备 --大口径巡天望远镜 the Large-Aperture Synoptic Survey Telescope -- 每天产生 10 TB 的数据 ! National Virtual Observatory

32. 除了数据增长速度，观测的方式也正在发生变化。尽管新的地面和空间天文台还继续分给单观测者/单计划的观测模式的研究相当多的观测时间，这些时间被分成许多小时段安排给许多特定目标的研究课题, 但更多的时间是用来进行大尺度的巡天，经常是多波段，涉及大量的合作者。 National Virtual Observatory

33. The Observatories • several multi-Terabyte databases • and further extensive catalogs of objects • NOAO/NRAO • 20% of the time on all its telescopes dedicated to major surveys using a wide range of telescope and instrumentation packages • The NASA Great Observatories • new opportunities for surveys, • combine mission-specific data with those from other missions and from the ground National Virtual Observatory

34. 这些大的巡天计划将会产生大量质量均匀, 标准统一的数据，通常会以T字节来衡量。这种天文研究的变化, 不仅由於新设备威力的提高允许更快速地获得这些数据，还由於计算机的硬件和软件可以快速地进行数据采集、处理及存档。 National Virtual Observatory

35. Ongoing Mega-Surveys MACHO 2MASS SDSS DPOSS GSC-II COBE MAP NVSS FIRST GALEX ROSAT OGLE, ... • Large number of new surveys • Multi-terabyte in size, 100 million objects or larger • Individual archives planned and under way • Multi-wavelength view of the sky • More than 13 wavelength coverage within 5 years • Impressive early discoveries • Finding exotic objects by unusual colors L,T dwarfs, high redshift quasars • Finding objects by time variability gravitational micro-lensing National Virtual Observatory

36. Proposed Surveys • Next Decade: New optimized “survey systems” • exploring new parameter space • Dark Matter Telescope (DMT) • map the distribution of matter for z<1.5 from weak lensing, through deep, high quality images of galaxies • moving and variable objects through repetitive surveys • Spectroscopic Wide-Field Telescope (SWIFT) • evolution of galaxies from z~4 to the present from star formation rates • determine chemical abundances and kinematics National Virtual Observatory

37. 将使天文学研究的特征发生变化的一个主要的技术进步是宽带的高速网络信息交换技术。虽然大量数据通过平常的网络进行交换还慢的不能接受将使天文学研究的特征发生变化的一个主要的技术进步是宽带的高速网络信息交换技术。虽然大量数据通过平常的网络进行交换还慢的不能接受 (传输 1 Tb的数据要花20多天)，未来的网络会快得多。这种数据传输速率加上地面和空间设备的高效率的数据采集，使得在不同地点间的大量数据交换成为可能。这个技术使广泛用户能够访问, 使用其中某一部分的资料, 在这之前是不容易做到的，由此所产生的可能的科学结果是巨大的。 National Virtual Observatory

38. Why Now ? • The past decade has witnessed • a thousand-fold increase in computer speed • a dramatic decrease in the cost of computing & storage • a dramatic increase in access to broadly distributed data • large archives at multiple sites and high speed networks • significant increases in detector size and performance • These form the basis for science • of qualitatively different nature National Virtual Observatory

39. 科 学 National Virtual Observatory

40. 这些新的巡天带来的科学发现的潜力是巨大的。对这些数据的联合使用, 将涌现出全新的、无法预见的、 意义重大的科学产出, 这是一种仅靠单独使用其中某一部分资料所不可能有的科学 National Virtual Observatory

41. 国家虚拟天文台所具备的新的科学能力, 是实现己有的或即将产生的TB级至PB级数据的全部科学价值的关键。对大规模星表的快速检索、统计相关关系的建立、数据中新的结构图案和时变的发现, 以及与成熟的数值模拟的比对, 都是通向新科学的途径, 它们都可以通过国家虚拟天文台实现 National Virtual Observatory

42. The Discovery Process Past:observations of small, carefully selected samples of objects in a narrow wavelength band • discover significant patterns • from the analysis of statistically rich and unbiased image/catalog databases • understand complex astrophysical systems • via confrontation between data and large numerical simulations Future: high quality, homogeneous multi-wavelength data on millions of objects, allowing us to The discovery process will rely heavily on advanced visualization and statistical analysis tools National Virtual Observatory

43. NVO Science: Discoveries • Discoveries of rare objects: • Searches for exotic new sources truly rare at level of 1 source in 10 million • Multi-wavelength identification of large statistical samples of previously rare objects: • brown dwarfs, high-z quasars, ultra-luminous IR galaxies, etc. • Efficient cross-identification of “unidentified sources” from new surveys • Example: Use radio, optical, and IR surveys to identify serendipitous Chandra X-ray sources • Selection of targets for spectroscopic follow-up National Virtual Observatory

44. NVO Science: Statistical Surveys • Homogeneous samples of typical objects • Mega-surveys: sample size not a problem any more • Statistical accuracy determined entirely by systematics • Multi-wavelength data enables accurate sample selection(evolution, rest-frame selection) • High Precision Astrophysics of Origins • Large scale structure of the universe • Galactic structure • Galaxy evolution • Active galaxies, galaxy clusters, ... • Stellar populations • Leading to New Astronomy National Virtual Observatory

45. New Astronomy – Different! • Systematic Data Exploration • will have a central role in the New Astronomy • Digital Archives of the Sky • will be the main access to data • Data “Avalanche” • the flood of Terabytes of data is already happening, whether we like it or not! • Transition to the new • may be organized or chaotic National Virtual Observatory

46. 条 件 National Virtual Observatory

47. Necessary Components • New archival methods • New analysis tools • New hardware requirements National Virtual Observatory

48. New Archival Methods • Structure and manage multi-TB (and soon PB) data archives, distributed across the continent • Rapid and transparent access to image/catalog databases across all wavelengths, via intelligent query agents • Efficient query and data retrieval by more than 10,000 scientists world-wide, with enhanced search operators (like spatial proximity) National Virtual Observatory

49. Geometric Indexing Attributes Number Sky Position 3 Multiband Fluxes N = 5+ Other M= 100+ “Divide and Conquer” Partitioning 3NM HierarchicalTriangular Mesh Split as k-d treeStored as r-treeof bounding boxes Using regularindexing techniques National Virtual Observatory

50. New Analysis Tools • Discover new patterns through advanced statistical methods and visualization techniques • Confront catalogs and image databases with numerical simulations of astrophysical systems • Collaborative exploration of multi-wavelength databases by multiple groups working at remote sites National Virtual Observatory