近日，由中國科學院上海天文臺安濤研究員帶領的國際合作團隊，基于深度優(yōu)化處理技術，對在瞬變天文現(xiàn)象的觀測中所使用的探測管線進行了重大改進。團隊使用了WSClean軟件實現(xiàn)的 w疊加算法，使管線的整體處理效率提高了三倍。團隊還進一步將優(yōu)化的管線集成到Data Activated Liu Graph Engine（DALiuGE） [1]中，使該瞬態(tài)探測管線能夠支持未來超級計算機上的大規(guī)模成像工作流，使其成為世界上最大的射電望遠鏡——平方公里陣列（Square Kilometre Array，SKA）即將到來的數(shù)據(jù)洪流 [2]的解決方案。相關研究成果于12月1日發(fā)表在《皇家天文學會月刊》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）上。
宇宙中的天體變化萬千。這些天體通常與極高能量的天體物理現(xiàn)象有關。這些對象為天文學家提供了從觀測和理論兩個角度深入研究高能宇宙的獨特機會。許多不同的宇宙學距離的瞬態(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期的宇宙探測器。盡管已經有了許多重要的發(fā)現(xiàn)，但這個領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)模的天文觀測數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的探測管線處理效率低下，無法滿足大規(guī)模天文觀測的需求，因此，提高管線處理效率，提高探測精度，以及優(yōu)化成像質量等問題成為了科學家們需要進一步研究的關鍵問題。
針對提升探測管線處理效率、滿足大規(guī)模天文觀測的需求，由中國科學院上海天文臺安濤研究員帶領的國際團隊，使用了WSClean軟件實現(xiàn)的 w疊加算法，對原有的ASKAP Variables and Slow Transients（VAST）巡天的瞬態(tài)檢測管線進行了重大改進。在實施改進過程中，科學家們面臨了兩個主要挑戰(zhàn)。首先，傳統(tǒng)的 w投影算法雖然在處理天文圖像時效果良好，但在處理大規(guī)模數(shù)據(jù)時會顯著降低處理效率。其次，由于天文圖像的復雜性，傳統(tǒng)算法生成的殘留圖像可能包含噪聲和偽影源，這將影響檢測的精確性。
為了解決這些問題，研究團隊首先替換了原有的 w投影算法，并采用了WSClean軟件實現(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，從而提高檢測精度和成像質量。此外，研究團隊還將優(yōu)化后的VAST檢測管線整合到了專為SKA規(guī)模的大數(shù)據(jù)處理而設計的DALiuGE執(zhí)行框架中，進一步提高了管線的性能和可擴展性（圖1）。
圖1，優(yōu)化的瞬態(tài)檢測管線流程圖，專門為處理和分析VAST數(shù)據(jù)而設計。ASKAP瞬態(tài)檢測管線為從ASKAP原始可見度數(shù)據(jù)在線處理到瞬態(tài)檢測，最終生成瞬態(tài)目錄。而本次工作的對這個過程優(yōu)化的重點集中在數(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)化管線檢測到的變源的深度圖像，每張小圖中心的紅十字標記表示變源的峰值位置。顯示了優(yōu)化后的瞬態(tài)檢測管線在瞬態(tài)探測領域的研究體現(xiàn)出了探測精度和成像質量方面的優(yōu)勢。
本次研究表明，開發(fā)高度自動化、可靠和快速的成像管線對于處理來自未來巡天的海量數(shù)據(jù)至關重要。類似的工作正在中國SKA區(qū)域中心開展，在近期的中澳2023年ACAMAR宇宙磁學研討會上，科學家們就為ASKAP POSSUM等天文巡天部署和優(yōu)化了軟件。
中國科學院上海天文臺高級工程師徐志駿表示，本次工作解決了天文學家在處理大規(guī)模天文觀測數(shù)據(jù)時面臨的重要問題—— w疊加算法的使用不僅顯著提高了瞬態(tài)探測管線的處理效率，也提高了探測精度和成像質量，這為幫助天文學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上的突破，還將為我們未來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)模的天文觀測數(shù)據(jù)，這意味著我們能夠探測到更多以前無法觀測到的天體，從而揭示更多關于宇宙的秘密?！闭撐牡谝蛔髡呒嫱ㄓ嵶髡?、中國科學院上海天文臺研究員安濤展望道，“這項工作的影響力遠遠超過了瞬態(tài)探測這一領域。優(yōu)化的瞬態(tài)探測管線同樣能夠應用于其他ASKAP成像管線，為我們提供了一種實用的優(yōu)化解決方案。未來，我們期望看到更多的科研團隊能夠利用這一技術，推動我們對宇宙的理解進一步深入?！?
本次研究得到SKA暫現(xiàn)源專項和中國科學院青年創(chuàng)新促進會的支持。
參考文獻：
[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：
科學聯(lián)系人：
安濤，中國科學院上海天文臺，antao@shao.ac.cn
徐志駿，中國科學院上海天文臺，xuthus@shao.ac.cn
