Печать Электронная почта Закладка

Наука Каждый День (5 февраля 2010) — Чтобы нанести на карту нашу домашнюю планету, Земля Google зависит главным образом от спутниковых образов для поверхностей земли и образов гидролокатора для морского дна. Карты Вселенной аналогично зависят от различных видов датчиков для различных видов особенностей. Карты космического микроволнового фона (CMB), например, зависят от имеющих размеры мелких различий в температуре неба.

Когда астрофизик Джулиан Боррилл приехал в Национальное Исследование Энергии Лаборатории Беркли Научный Вычислительный центр (NERSC) в 1997, его первый проект проектировал вычислительные аппараты для будущих экспериментов CMB, комплект инструментов, способный к обработке с ожидаемым наводнением космических данных. Он и его коллеги Рэдек Стомпор и Эндрю Джейфф разрабатывали Микроволновый Набор данных Анизотропии Вычислительный Пакет Анализа, или СУМАСБРОДНЫЙ. Основная часть комплекта была модулем для того, чтобы сделать карты.

Сигнал против шума

Картография CMB требует точно составляющий шум в данных. Каждый пиксел начинается как шум части и сигнал части. "У белого" шума есть собственность, что каждое измерение независимо от всего другие и может точно быть усреднено, таким образом легко составлять шум и оценить вклад сигнала в соединение.

"Покрашенный" или коррелированный шум является более стимулирующим: здесь шум пиксела изменяется через небо, и его ценности взаимосвязаны согласно специфическому пути, который телескоп просмотрел во время подвергания.

"Вы не можете объяснить коррелированый шум, только насчитывая это," говорит Боррилл, теперь с Вычислительным Центром Космологии (C³) в Вычислительном Подразделении Исследования Лаборатории Беркли. "Чтобы сделать карту, это берет специальный кодекс, чтобы весить и составлять шум в каждом пикселе в каждом пункте вовремя."

Датчики имели обыкновение иметь размеры, температура космического микроволнового фона особенно восприимчивы к цветному шуму, таким образом СУМАСБРОДНАЯ связка кодексов включала тот, особенно разработанный, чтобы сделать карты из данных, где шум не белый. Запрограммированный участником Кристофером Кэнтэлупо C³, кодекс называют MADmap.

Лучшие датчики для того, чтобы измерить радиацию в длинах волны между миллиметром и одной пятой миллиметра, где большая часть радиационной лжи CMB, являются болометрами. (Радиация CMB в более низких частотах измерена с радиометрами.) болометр измеряет, насколько поступающий фотон нагревает очень холодный датчик, температура которого сохранена в крошечной фракции степени выше нулевых степеней Келвином. Коррелированный или покрашенный шум - известная особенность болометров.

"Поскольку температура болометра никогда не может быть в абсолютном ноле, у нее всегда будут некоторые тепловые помехи," говорит Боррилл. Этот шумовой уровень изменяется как изменения температуры болометра. "Другой источник шума - то, что, когда фотон поражает болометр, это 'звонит' некоторое время."

Что касается первого вида шума, говорит Кэнтэлупо, "потому что рефрижератор не прекрасен в температуре есть долгосрочные дрейфы; шум медленно изменяется со временем."

Он сравнивает цветную шумовую проблему с ситуацией транспортного полицейского, использующего радарное оружие, чтобы определить ожидаемую скорость мимолетных автомобилей. "Если будет очень небольшое движение, то скорость одного автомобиля будет в значительной степени независима от скорости других. Но если движение станет плотным, то автомобили, путешествуя друг около друга, вероятно, будут ехать на подобных скоростях," объясняет он. "В скорости все еще будет некоторое изменение, и этот разброс в измерениях покрашен шумом."

Чтобы определить ожидаемую скорость мимолетного автомобиля, основанного на скоростях автомобилей, ранее измеренных, корреляция среди автомобилей, когда движение плотно, должна быть принята во внимание - особенно шум разброса измерений в тяжелом движении - так, чтобы этим измерениям не дали слишком большое значение в заключительной оценке.

"Если мы даем больше значения для измерений, проведенных дальше обособленно вовремя, мы можем сделать лучшую оценку основного сигнала," говорит Кэнтэлупо.

Cantalupo описывает процесс MADmap как первый сбор исходных данных, широко переменной кривой с микроструктурой, наложенной на большие экскурсии, включая информацию относительно того, где инструмент указан в небе и время, в течение которого были собраны данные. Данные фильтрованы, чтобы удалить "средний" шум - "но конечно мы не просто фильтровали шум, но сигнализируем также," говорит Кэнтэлупо.

Математика, которая определяет, как шум время от времени коррелируется в пределах каждого пиксела, выполнена на этих приглаженных, фильтрованных данных. Тогда фильтрование уничтожено, чтобы восстановить сигнал - который для данных CMB является температурой неба для каждого пиксела в карте.

MADmap расправляет свои крылья

Боррилл говорит что, хотя MADmap был разработан с данными CMB в памяти, "это всегда предназначалось, чтобы быть независимым от специфических особенностей любого эксперимента."

MADmap использовался для экспериментов CMB от поднимаемых на аэростате МАКСИМУМОВ, которые нанесли на карту часть северного неба в 1998, и БУМЕРАНГ, который окружал Южный полюс в 1999, на до спутника Планка Европейского космического агентства, запущенного на ракете Арян из французской Гвианы в мае 2009; все эти эксперименты и другие делают запись данных в различных форматах, таким образом гибкость MADMAP является существенной.

MADmap настолько гибок, фактически, что это применимо к любому виду эксперимента, данные которого подобны модели, для которой это было построено. С начала это было отправлено в Интернете как программное обеспечение открытого источника.

Войдите в Herschel, спутник, который по совпадению был начат на той же самой ракете Арян как Планк. В отличие от Планка, Herschel - инфракрасная обсерватория. Это несет 3.5-метровый телескоп, самый сильный инфракрасный телескоп, которым когда-либо управляют в месте. Основные датчики для одного из его трех инструментов, Камеры Множества Фотопроводника и Спектрометра (PACS), являются двумя множествами очень чувствительных болометров. В 2007, прежде, чем Herschel и Планк были начаты, Кэнтэлупо получил требование от Пьера Шаняля, ученого PACS, который развивал программное обеспечение картографии инструмента.

"Он хотел, знают, соглашалось ли это с нами, если он использовал MADmap как основное программное обеспечение картографии для PACS," говорит Кэнтэлупо. "Он сказал, что было предложено ему Эндрю Джейффом, который проектировал оригинал, СУМАСБРОДНЫЙ с Юлианским."

Cantalupo и Borrill и их коллеги были рады, что MADmap обещал быть полезным непредвиденными способами. Болометры PACS - фотометры, разработанные, чтобы собрать далекий инфракрасный свет, нанося на карту галактики и другие объекты, внутренние структуры которых затенены, такие как облака газа и пыли, где новые звезды рождаются или диски, в которых могут формироваться солнечные системы. Но новое заявление MADmap к инфракрасным данным вводило некоторые проблемы.

"Трубопровод передачи данных PACS должен использовать Яву, которая не была рассмотрена, когда MADmap был написан," говорит Кэнтэлупо. "Таким образом мы были в состоянии быть несколько полезными в помощи с переписыванием."

Различные вопросы возникли, когда Herschel начал делать изображения в июле после достигающей орбиты в лагранжевом Пункте 2, где объединенная серьезность Земли и Солнца поддерживает спутник главным образом в тени Земли - таким образом превосходное место для обсерватории. Теодор Киснер C³'s стал вовлеченным в усилие помочь команде PACS сделать лучший из MADmap.

"Была некоторая проблема с реальными данными, касающимися характера шума," говорит Киснер. "Так как я работал с шумовой оценкой, я был в состоянии поспособствовать этому аспекту."

Путем PACS делает изображение, отличается от способа, которым инструмент CMB наносит на карту небо: эксперимент CMB по существу просматривает через небо в одном гладком ударе за другим, тогда как, Киснер говорит, "вид Herschel колебаний вокруг, смотря на тот же самый вид области подобного просмотра отверстия в заборе."

Шумовая оценка легче для Herschel до некоторой степени, не только потому, что его болометры очень устойчивы, но потому что они наносят на карту определенные области; в отличие от вездесущего космического микроволнового фона, "части неба в изображении Herschel являются фактически темными," говорит Киснер. "Никакой сигнал вообще не прекрасное основание для того, чтобы составлять шум."

Однако, то, что два вида наблюдений имеют вместе, - то, что оба зависят от потоков времени данных, которые являются, где коррелированный шум проживает.

"Наша главная надежда теперь состоит в том, что мы можем убедить людей PACS далеко от использования Явы и вместо этого к использованию нашей последней версии MADmap," говорит Кэнтэлупо. "Некоторые из их наблюдений требуют очень длинных подверганий, где наша новая Версия 2 будет очень полезна. На меньших наблюдениях Явская версия хорошо."

Уже команда C³ разработала новый вторичный формат для Herschel, который будет в состоянии обращаться с различными видами данных. MADmap 2 с готовностью читает данные в различных форматах и был бы легче использовать и более гибкий что существующая версия.

"Это - полностью их решение," говорит Кэнтэлупо. "Мы только счастливы быть полезными." Он и Kisner посетили семинары обработки данных в НАСА Центр Науки Herschel в Caltech, чтобы показать ученым, которые используют хорошие способы Herschel использовать MADmap.

Со своей стороны, Джулиан Боррилл рад, что программа, первоначально развитая с поддержкой из Прикладной Программы исследований Информационных систем НАСА и Лабораторной программы Целенаправленного исследования и Развития Лаборатории Беркли, расправила свои крылья и уже доказала ее заслугу для того, чтобы проанализировать совсем другие виды астрономических данных.

---

Источник Истории:

Приспособленный от материалов, обеспеченных Беркли DOE/Lawrence Национальная Лаборатория. Оригинальная статья, написанная Полом Преуссом.

---

Связанные Истории

---

Поиск Наука Каждый День

---

Найдите с ключевым словом (ами):

Войдите в ключевое слово или фразу, чтобы искать архивы Сайенседэйли связанные темы новостей,
истории последних новостей, справочные статьи, видео науки, изображения, и книги.

Только В:

Первые Звезды Во Вселенной