GAVO-III: Antrag zur BMBF-Förderung: Erdgebundene Astrophysik und Astroteilchenphysik Verbundforschung

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1 GAVO-III: Weiterentwicklung und Nutzbarmachung der astronomischen e-science Infrastruktur in Deutschland (German Astrophysical Virtual Observatory, 3. Phase) Antrag zur BMBF-Förderung: Erdgebundene Astrophysik und Astroteilchenphysik Verbundforschung Antragsteller / Konsortialführer: Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg (ZAH) Prof. Dr. Joachim Wambsganß Tel / jkw@uni-hd.de Weitere antragstellende Partner: Universität Bonn (AIfA) Astrophysikalisches Institut Potsdam (AIP) Assoziierte Partner: Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching (MPA) Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg (MPIA) Technische Universität München (TUM) Universität Bochum Max Planck Digital Library, München (MPDL) 1

2 Zusammenfassung Im Projekt GAVO-III (German Astrophysical Virtual Observatory, 3. Phase) wird die astronomische e-science-infrastruktur ausgebaut und der deutschen Community in leicht zugänglicher Weise nutzbar zur Verfügung gestellt. Dies geschieht in enger Einbindung in den Verbund der International Virtual Observatory Alliance (IVOA) und in Kooperation mit dem AstroGrid- D/DGRID. Die IVOA ist eine internationale Initiative von inzwischen 16 Ländern, mit dem Ziel, die verschiedenen astronomischen Ressourcen (Datenarchive aller Wellenlängenbereiche, Rechner, Programme, Simulationsergebnisse, Teleskope) länderübergreifend in ein Netzwerk zu integrieren und Methoden zu entwickeln, um die Gesamtheit der Daten mit intelligenten Algorithmen zu durchforsten, um Verknüpfungen zwischen den verschiedenen und verschiedenartigen Daten herzustellen. Es geht darum ganz allgemein formuliert die angemessene wissenschaftliche Auswertung im Zeitalter der Petabyte-Astronomie zu ermöglichen. Das BMBF fördert GAVO seit 2002, zunächst in einer Pilotphase, ab 2006 im Rahmen der Verbundforschung als GAVO-II. Im vorliegenden Antrag (GAVO-III) werden einerseits bereits existierende Methoden zur verteilten Datenarchivierung, -analyse und -nutzung anwendungsorientiert weiterentwickelt und als Prototypen nutzbar gemacht, andererseits neue Methoden und Tools geschaffen und bei der Definition auf europäischer IVOA-Ebene mitgearbeitet. Ziel ist es, bis 2011 der deutschen astronomischen Community ein funktionsfähiges Virtual Observatory für die astrophysikalische Forschung zur Verfügung zu stellen. Die Entwicklung und Einbindung von Werkzeugen und Tools zur besseren und einfacheren Nutzung des Virtuellen Observatoriums wird besonders vorangetrieben durch Fragestellungen, die sich aus der jeweils lokal vorliegenden wissenschaftlichen Expertise ergeben. Das umfasst die Archivierung von sehr großen Datenmengen, die Auswertung von numerischen Simulationen höchster Auflösung, die Visualierung und Verknüpfung von mehrdimensionalen Beobachtungs- oder Simulationsdaten, oder etwa die Entwicklung einer robusten Datenreduktions-Pipeline für die kommende Generation von astronomischen Weitwinkel- Kameras. Diese Schwerpunkte werden verfolgt in enger Einbindung in die IVOA und die europäischen VO-Aktivitäten. Zukünftiger Nutzer des VO wird vor allem die junge Wissenschaftler-Generation sein. Deshalb liegt ein wesentlicher Aspekt unserer Aktivitäten darin, den wissenschaftlichen Nachwuchs auszubilden und an die Nutzungsmöglichkeiten dieser innovativen Forschungsstruktur heranzuführen. Dies geschieht wie bisher bereits auf individueller Basis, darüberhinaus werden wir GAVO-III auf nationaler Ebene (AG-Tagungen, RdS) mit Präsentationen und Splinter-Meetings vorstellen. Zusätzlich werden wir in der kommenden Förderperiode drei Hands-on Workshops anbieten, in der Diplomanden, Doktoranden und Postdocs mit den verschiedenen VO-Techniken und -Möglichkeiten vertraut gemacht werden. Der hier vorliegenden GAVO-III wird federführend getragen von drei Universitäts-Instituten dem Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg (ZAH), dem Argelander Institut für Astronomie der Universität Bonn (AIfA) und der Universität Bochum sowie dem Astrophysikalischen Institut Potsdam (AIP). Die Aufgabe wird bewältigt in enger Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPA) in Garching, dem Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg und der Technischen Universität München (TUM). 2

3 1 Einleitung und Hintergrund 1.1 Astronomische Forschung und das Virtuelle Observatorium (VO) Heutige astronomische Forschung ist extrem daten- und computerintensiv. Moderne Himmelsdurchmusterungen produzieren riesige Kataloge mit 100 Millionen oder mehr Objekten. Die astronomische Community in Deutschland ist an den größten dieser multi-nationalen Projekte beteiligt, oft in wesentlicher Rolle, wie etwa beim SDSS (Sloan Digital Sky Survey), der größten bis heute durchgeführten optischen Himmelsdurchmusterung, bei PanSTARRS, einer schnellen Durchmusterung, die 2008 beginnen wird und auch noch die zeitliche Variabilität mit einbezieht, sowie bei Gaia, der Cornerstone Mission der ESA, die ab 2011 von einer Milliarde Sternen Positionen, Helligkeiten, Farben und Eigenbewegungen messen wird. Bodengebundene Teleskope werden mit immer leistungsfähigeren Wide-Field CCD Kameras oder mit Viel-Objekt-Spektrographen ausgestattet, so dass pro Nacht einige Terabyte an Daten zusammenkommen können. Astrophysikalische Computersimulationen verwenden mehr als eine Milliarde Teilchen, deren Positions- und Geschwindigkeits-Parameter über kosmologische Zeitskalen verfolgt werden. Speicherung, Bearbeitung und Analyse solch gigantischer Datenmengen stellen eine enorm große Herausforderung dar, die in technologische Grenzbereiche vorstößt und nur mit neuen Tools oder gar neuen Ansätzen gehandhabt werden kann. Um das volle wissenschaftliche Potential dieser Beobachtungs- und Simulationsdaten zu nutzen, müssen sie zunächst in geeigneter Weise archiviert werden. Auch müssen hochentwickelte Werkzeuge zu deren Visualisierung und Analyse bereitgestellt werden. Dafür müssen Standards entwickelt werden. Eine umfassende Metadaten-Beschreibung wird benötigt; so muss für jedes astronomische Beobachtungs-Archiv beispielsweise dessen Himmelsüberdeckung in computerlesbarer Form angegeben werden. Ein weiterer Aspekt in der wissenschaftlichen Nutzung eröffnt sich durch die Verknüpfung der verfügbaren Datenarchive. Aktuelle Fragestellungen, z.b. zur Natur aktiver galaktischer Kerne, profitieren enorm von dieser pan-chromatischen Sicht. Eine tatsächlich weitere physikalische Dimension der wissenschaftlichen Arbeit eröffnet sich durch die neuen Beobachtungs- Möglichkeiten, die den Zugriff auf zeitliche Variabilität von Helligkeit oder Position ermöglicht. Zu all diesen Aspekten müssen neue Werkzeuge zur Datenföderation entwickelt werden. Die Antwort der internationalen astronomischen Gemeinschaft auf die oben skizzierten Herausforderungen ist das Konzept des Virtual Observatory (VO). Angesichts des Umfangs und der Komplexität der Aufgaben sowie der weltweiten Verbreitung der Daten kann dies nur in Form einer gemeinsamen internationalen Anstrengung geschehen, die in der International Virtual Observatory Alliance (IVOA 1 ) gebündelt sind. Das VO war damit eine der frühen, wenn nicht gar die erste wissenschaftliche Anwendung von e-science. Das hier vorgestellte Projekt GAVO-III umfasst den deutschen Beitrag zum internationalen VO, an dessen Realisierung mittlerweile in 16 Ländern weltweit gearbeitet wird. 1.2 VO in Deutschland und international Das BMBF unterstützt das Projekt German Astrophysical Virtual Observatory (GAVO) seit 2002, zunächst als Pilotprojekt (GAVO-I), in der laufenden Förderperiode der Verbundforschung als Projekt GAVO-II

4 Im Rahmen von GAVO-I wurden unter Einbindung in die IVOA erste Arbeiten zur Daten- Föderation und Daten-Archivierung sowie zum Data Mining durchgeführt. Die Werkzeuge wurden an einfachen wissenschaftlichen Anwendungsbeispielen getestet. In einem Pilotprojekt wurde begonnen, Beobachtungsdaten und Modellrechnungen direkt zu verknüpfen. Im Herbst 2005 wurde zudem AstroGrid-D gestartet, ein Community-Projekt astrophysikalisch forschender Institute im Rahmen der D-GRID-Initiative des BMBF. AstroGrid-D zielt auf die Entwicklung von Middleware zwischen der GRID-Infrastruktur und astrophysikalischen Anwendungen, es dient also als Technologie-Plattform, auf die GAVO aufsetzt. Ab 2006 wurden dann in der laufenden Förderperiode im Rahmen von GAVO-II diese Arbeiten fortgesetzt und erweitert. Insbesondere im Bereich Theorie hat GAVO eine führende Rolle bei der IVOA gespielt. Die Anwendungen, die beispielhaft für die Millennium-Simulation entwickelt wurden, wurden weithin genutzt und gelten international als beispielhaft. GAVO-III wird für Forschungsbereiche, in denen die deutsche astronomische Community international führend mitarbeitet, Werkzeuge und neue Methoden der Archivierung, der Analyse und der Nutzung entwickeln und der Öffentlichkeit zur Verfügung stellen, um einen sinnvollen Umgang und eine effiziente wissenschaftliche Auswertung dieser Datenmengen zu ermöglichen. Aufbauend auf den in GAVO-I und GAVO-II geleisteten Vorarbeiten und der in AstroGrid-D zu entwickelnden Technologie-Plattform wird GAVO-III zukunftsgerichtet für die deutsche Astronomie ein funktionsfähiges Virtuelles Observatorium entwickeln und bereitstellen. Die internationale Bedeutung des VO wird unter anderem darin deutlich, dass in dem erst vor wenigen Wochen erschienenen Bericht A Science Vision for European Astronomy (erstellt im Auftrag des ERA-Nets ASTRONET) Astronomical data management and the Virtual Observatory als eine von vier Cross disciplinary requirements genannt sind (S.129f), mit der Aufforderung Investments in those areas are therefore a high priority for all of astronomy. Inbesondere wird darauf hingewiesen, dass der wissenschaftliche Ertrag maximiert werden wird by making adequate provision for systematic archiving of the data, with common standards that allow for interaccessibility of datasets and effective scientific exploitation of the data. Darüberhinaus wird momentan für die europäische Astronomie die ASTRONET Roadmap erstellt, wobei sich Panel D (Theory, computing facilities and networks, Virtual Observatory) speziell um das VO kümmern wird. Die aktuelle internationale Einbindung der GAVO Aktivitäten wird sichtbar durch das aktive Mitwirken der Antragsteller an dem EURO-DSC Projekt (von der EU gefördert bis Ende dieses Jahres, ein FTE für GAVO), sowie dem gerade bewilligten FP-7 Programm der EU: EURO-VO AIDA Astronomical Infrastructure for Data Access (federführend Francoise Genova, Straßburg, weiterhin beteiligt GAVO/Heidelberg, Edinburgh, Groningen, ESO, ESA; ein FTE für GAVO). Ganz allgemein gesprochen liegt die nationale Förderung für das VO in Deutschland weit niedriger als in den vergleichbaren westeuropäischen Ländern. Eine verstärkte nationale Unterstützung ist unabdingbar notwendig, damit die deutsche Astronomie nicht als passiver Zuschauer wahrgenommen wird, sondern in dieser rasanten Entwicklung des VO gestaltend mitwirken kann. Das GAVO-III-Projekt geht weit über die Eigeninteressen der Antragsteller hinaus. Für die Gemeinschaft der deutschen Astronomen und Astrophysiker wird eine Infrastruktur aufgebaut und zur Verfügung gestellt, die in vielerlei Hinsicht mit einem astronomischen Großgerät vergleichbar ist, die ganz neue Arbeitsbedingungen und einen wesentlich verbesserten und effizienteren Wissenschaftsbetrieb ermöglichen wird. Die Bereitstellung und Vernetzung von 4

5 dezentralen Datenarchiven, die Entwicklung neuer Werkzeuge zur Datensuche, Datenanalyse und Darstellung der Ergebnisse kann nur durch die koordinierte Bündelung des gesammelten Know-Hows der beteiligten Institute in internationaler Absprache mit dem EURO-VO und der IVOA erreicht werden. Mittelfristig würde die deutsche astronomische Forschung zweifelsohne davon profitieren, wenn wissenschaftliche Daten, Ergebnisse, Kataloge bereits jetzt in einer VO-standardisierten Form veröffentlich würden. Dies könnte forciert werden, wenn Drittmittelgeber insbesondere der öffentlichen Hand bei zukünftigen Bewilligungen eine solche VO-kompatible Publizierung empfehlen oder sogar fordern würden. Das hier beschriebene Projekt GAVO-III ist als überregionales Verbundvorhaben strukturiert. Die Aufgaben und Werkzeuge werden als Service-Leistungen entwickelt und bereits in der Test-Phase der astronomischen Community zur Verfügung gestellt. Die geografisch und inhaltlich breite Verteilung der Antragsteller sowohl aus den vier astronomischen Zentren in Deutschland (Heidelberg, Garching/München, Bonn, Potsdam) als auch aus kleineren Universitäten und über quasi alle datenintensiven Fachgebiete spiegelt die Bedeutung dieses Projekts für die astronomische Forschung in Deutschland wieder, ganz wie es in der DFG- Denkschrift Status und Perspektiven der Astronomie in Deutschland formuliert und ausdrücklich gefordert wurde: Für die Wettbewerbsfähigkeit deutscher Forscher wird es wichtig sein, die nötige Infrastruktur aufzubauen, um dieses entscheidende Zukunftsinstrument für die interpretative Astrophysik und für den Vergleich mit theoretischen Simulationsrechnungen in jedem deutschen Institut effektiv nutzen zu können. Dieses soll im Rahmen des German Astrophysical Virtual Observatory (GAVO) ermöglicht werden. 2 Stand der Dinge und bisherige Aktivitäten Die bisherigen VO-Aktivitäten in Deutschland finden an verschiedenen Standorten in enger Abstimmung und Koordination statt, größtenteils aber nicht ausschließlich im Projekt GAVO-II. In diesem Abschnitt werden die in der laufenden Förderperiode durchgeführten Arbeiten und erzielten Ergebnisse dargestellt. Die im GAVO-II Antrag formulierten Ziele sind teils bereits jetzt erreicht, teils werden sie in den verbleibenden Monaten fertiggestellt. Direkt im Anschluss an die Genehmigung des GAVO-II Antrags (03/2006) wurde mit der Suche nach qualifizierten MitarbeiterInnen begonnen. Zwischen 06/2006 und 04/2007 wurden sechs Personen mit entsprechender Ausbildung und den notwendigen Vorkenntnissen für die hier beschriebenen Projekte eingestellt: Dr. Markus Demleitner (04/2007), Benjamin Gufler (11/2006), Dr. Jai Won Kim (07/2006), Dr. Gerard Lemson (06/2006), Iliya Nickelt-Czycykowski (08/2006), Ulrike Stampa (02/2007). Alle arbeiten inzwischen sehr engagiert an GAVO-II mit, selbst diejenigen ohne vorherigen VO-Hintergrund sind inzwischen sehr gut eingearbeitete Experten und tragen sehr effizient zum Fortschritt des Projektes bei. Darüber hinaus arbeiten an allen beteiligten Instituten weitere WissenschaftlerInnen mit an den GAVO-Projekten, oft im täglichen Austausch mit dem GAVO-Personal. Im Folgenden werden die bisherigen Aktivitäten von GAVO-II kurz beschrieben. Zusammenfassend lässt sich sagen: Der Projektverlauf ist sehr positiv, trotz des etwas verzögerten Starts wurden alle Aufgaben angepackt, inzwischen sind wir sehr gut im Zeit- und Arbeitsplan, einges konnte sogar besser und schneller erledigt werden als ursprünglich geplant. Insbeson- 5

6 dere die internationale Einbindung und Zusammenarbeit mit und in EURO-VO und IVOA funktionieren sehr effizient. Auch mit dem AstroGrid-D-Projekt wird sehr gut und intensiv kooperiert. Die Aussichten auf Erreichen der Ziele wie im Antrag beschrieben sind sehr gut. In Sektion 2.4 werden Aktivitäten der Universitäten Bonn und Bochum beschrieben, bei denen es darum geht, sehr komplexe Software zu entwickeln zur Reduktion und Verarbeitung von Daten aus den zukünftig der deutschen Community zur Verfügung stehenden Widefield- Imaging Kameras. Diese Arbeiten wurden bisher von der Verbundforschung außerhalb von GAVO gefördert, passen aber von ihrer Ausrichtung her ideal zu den VO-Aktivitäten und sind deshalb in diesen neuen GAVO-Antrag mit einbezogen. 2.1 Publizierung astronomischer Kataloge, GAVO Service/Expertise Center Der erste Datenrelease des RAVE Surveys wurde im Oktober 2006 vom AIP erfolgreich durchgeführt. Die photometrischen Daten von bisher Sternen der Milchstraße sind über die Webseite des Surveys 2 abrufbar. Die grundlegenden VO-Elemente (cone search, VOTable- Formatierung) wurden implementiert. Für den nächsten Datenrelease wurde mit einer Verbesserung der technischen Infrastruktur und der VO-kompatiblen Einbindung von Spektren begonnen. Für die Vorbereitung des Gaia-Projektes wurde eine interne Datenbank für Testspektren aufgebaut, die auf VO-Tools zurück greift. Am ARI wurde der Prototyp für eine Webanwendung erstellt, die per SQL Zugang zu einer relationalen Datenbank bietet, in der die vom ARI erstellten Kataloge veröffentlicht werden. Drei parallele Aktivitäten im Hinblick auf Digitalisierung von fotographischen Platten in Heidelberg und Potsdam werden in enger Zusammenarbeit mit GAVO durchgeführt, die Finanzierung erfolgt teilweise aus anderen Quellen (Klaus Tschira Stiftung). Bei den Plattenarchiven handelt es sich um die Palomar-Leiden-Platten zur Suche nach Kleinplaneten sowie im Rahmen einer Kollaboration mit dem astronomischen Institut der Bulgarischen Akademie für Wissenschaften um einen Teil des Archivs der fotografischen Platten des AIP. Aus den Archiven des AIP wurden dabei insgesamt 3000 fotographische Platten eingescannt, die in die Skyarchive-Datenbank eingebunden werden sollen 3. Am ARI sind in den vergangenen Jahren eine Vielzahl wichtiger astronomischer Kataloge erstellt worden (u.a. ARIAPFS Apparent Places of Fundamental Stars; ARICNS - Datenbank für sonnennahe Sterne; ARIHIP - durch erdgebundene Beobachtungen verbesserte astrometrische Daten der Sterne des HIPPARCOS-Katalogs; DMUBIN µ-binaries). Wo es sinnvoll war, wurden diese Kataloge VO-kompatibel auf die Web-Seiten gestellt 4. In den vergangenen Monaten wurde insbesondere der Eigenbewegungskatalog PPMX (S. Röser) verfügbar, gegenwärtig wird die VO-Version des Catalog of Nearby Stars (H. Jahreiss) vorbereitet. Auf diese Weise werden diese Kataloge in leicht zugänglicher Form in das VO eingebunden, um den Zugang zu diesen Daten sehr benuterfreundlich zu gestalten und auch Nicht-Spezialisten die Verknüpfung dieser Kataloge mit anderen Daten zu ermöglichen. Darüber hinaus soll dieses Katalog-Interface andere Nutzer in der deutschen Community ermuntern, ihre Daten ebenfalls auf diese Weise zur Verfügung zu stellen. Im Antrag für GAVO II war angekündigt worden, ein Daten-/Expertise-Center mit leicht

7 zugänglichem und leicht bedienbarem Web-Interface einzurichten. Inzwischen gibt es eine erste Version des GAVO Data Center unter Die momentan zugänglichen etwa 10 Beispiel-Services (teilweise noch passwortgeschützt, generelle Freigabe erfolgt bei Erscheinen der entsprechenden Publikation) umfassen Beobachtungsdaten (z.b. Aufnahmen von Gravitationslinsen aus dem Maydanak-Observatorium), Kataloge (etwa die Erweiterung des PPM-Katalogs), Astronomische Ephemeriden ( APFS Apparent Places of Fundamental Stars ), historische Fotoplatten der Landessternwarte Heidelberg und vom Calar Alto in gescannter Form oder simulierte Microlensing-Lichtkurven ( The Infinite Lightcurve ). Bei der Auswahl dieser ersten Services war das Hauptkriterium, eine große Vielfalt von astronomischen Daten anzubieten, um potentiellen Nutzern die breiten Anwendungsmöglichkeiten zu demonstrieren. Damit ist nun das erste Zwischenziel erreicht, geographisch verteilte, heterogene Datenarchive in Deutschland, die oft nur schwierig oder nur für Experten zugänglich sind, zu integrieren und über eine gemeinsame Nutzerschnittstelle verfügbar zu machen. Diese ersten Pilot-Anwendungen werden in direktem Kontakt mit den Nutzern verändert und verbessert werden, weitere Datensätze werden in den kommenden Monaten hinzugefügt. 2.2 Theorie im VO, Standardisierung, IVOA Die Veröffentlichung von theoretischen (Simulations-)Daten und Diensten im virtuellen Observatorium ist nach wie vor eine unserer wichtigsten Anwendungen. GAVO stellt den Vorsitzenden der Theorie-Interessengruppe in der IVOA (Lemson). Diese Gruppe hat begonnen, eine Anzahl von Standards für die Veröffentlichung von Computersimulationen mit Hilfe von einfachen Standardprotokollen zu definieren. Gerard Lemson übernahm außerdem den Vorsitz im Arbeitspaket 4 in der EURO-VO Data Center Alliance (DCA). Hierbei handelt es sich um ein vom EU-Framework finanziertes Projekt, dessen Ziel es ist, den Einsatz von VO-Standards in den Datencentern der verschiedenen Mitgliedsstaaten voranzutreiben. Das relevante Arbeitspaket 4 beschäftigt sich dabei mit theoretischen Aspekten. Abgesehen von diesen Standardisierungsarbeiten wurde in Zusammenarbeit mit MPA eine Datenbank entworfen, um die Ergebnisse der bisher größten kosmologischen Simulation VO-gemäß zu speichern (die Millennium Simulation 5 ; auf dieser Web-Seite sind auch die gegenwärtig 98 astro-ph Preprints verzeichnet, die Daten der Millenium Simulation nutzen, einige davon mit explizitem Acknowledgement von GAVO, etwa astro-ph/ oder astro-ph/ ). Darüberhinaus entwickelten wir eine Webanwendung, die den Zugang mittels SQL zu dieser Datenbank ermöglicht. Zu dieser Webanwendung existiert eine öffentliche Version, die Zugang zu einem kleinen Teil der gesamten Simulation bietet, und eine Version, für die sich die Benutzer registrieren lassen müssen. Diese Webseiten wurden über den Los Alamos Preprint-Server öffentlich gemacht und liefen seither mit sehr großem Erfolg: Mehr als 200 registrierte Benutzer, die insgesamt über 3.2 Millionen Anfragen gestellt haben und mehr als 35 Milliarden Zeilen empfangen. Bis jetzt wurden bereits um die 40 Publikationen veröffentlicht, dessen Ergebnisse direkt auf diesem Dienst basieren. Diese Nutzer stehen im allgemeinen nicht im direkten Zusammenhang mit VO-Projekten und werden auf diese Weise mit den Anwendungen des Virtuellen Observatoriums konfrontiert. Eine Spiegelung dieser Anwendung wird zur Zeit an der Durham Universität aufgebaut, einer Partnerin des MPA. Dort kommt dieselbe Datenbankstruktur und eine leicht abgewan

8 delte, an die dortigen Gegebenheiten angepasste Version der Webanwendung zum Einsatz. Dieselbe Webanwendung wird in verschiedenen Varianten auch verwendet, um den Zugang zu einer lokalen Spiegelung der SDSS Datenbank im MPA und zugehörigen Datenbanken zu gewähren und bildet außerrdem das Grundgerüst für den Prototypen zur Veröffentlichung der Kataloge im ARI/ZAH (MPA). Es wurden zwei IVOA-Standardanfragedienste - Simple Spectra Access Protocol (SSAP) und Simple Image Access Protocol (SIAP) - auf vom MPE bereitgestellten Daten implementiert. SSAP ist ein Anfrageprotokoll für eindimensionale Spektren, SIAP für zweidimensionale Bilder. Beide Dienste unterstützen sowohl die Suche nach Daten wie auch deren Abruf. SSAP wurde implementiert für die Ergebnisse der spektroskopischen Nachuntersuchungen der Röntgenquellen im Chandra Deep Field South, SIAP wurde implementiert für ROSAT-Daten, Einzelbeobachtungen und Himmelsdurchmusterung. Beide Implementierungen sind so angelegt, dass sie sich leicht für weitere Archive erweitern lassen. Seit Herbst 2006 arbeitet GAVO mit bei der Expertengruppe der IVOA, die sich mit der Standardisierung der Datenabfragesprache für die virtuellen Observatorien beschäftigt. Neben der Definition der Sprache ADQL beschäftigt sich diese Arbeitsgruppe auch mit der Entwicklung des Client-Server-Protokolls, über das ADQL eigesetzt werden soll, und dem standardisierten Zugriff auf die zugehörigen Metadaten. Hauptaugenmerk der GAVO-Beteiligung in dieser Arbeitsgruppe ist die Eignung der erstellten Definitionen nicht nur für Observationsdaten, sondern auch für Ergebnisse von Simulationen, die aufgrund struktureller wie auch semantischer Unterschiede durchaus andere Anforderungen und Anwendungsszenarien mit sich bringen. 2.3 Entwicklung von Software-Werkzeugen Es wurde eine Neuimplementierung eines Cross-Matcher-Werkzeugs entwickelt, das auf einer Version aufbaut, die in der Vergangenheit in einem wissenschaftlichen Projekt am MPE genutzt wurde. Dieser Cross-Matcher ist ein Prototyp, und wurde in einem wissenschaftlichen Projekt getestet. Über die Weiterentwicklung wurde noch nicht entschieden. Im Zuge der SIAP-Service-Entwicklung entstand das FITS-Ingestor-Werkzeug. Da sehr viele astronomische Daten in Form von FITS-Dateien vorliegen, ist ein Werkzeug, das Metadaten aus FITS-Dateien extrahieren und konsistent speichern kann, unentbehrlich. Das Programm kann sowohl FITS-Dateien in lokalen als auch in entfernten Systemen lesen und die Headerdaten in einer Datenbank ablegen. Mit Hilfe von SQL können nun die einfachen Schlüssel-Wert-Paare aus den Metadaten der FITS-Header in jedes gewünschte Datenmodell überführt werden. Der Aufbau des oben erwähnten SIAP-Services demonstriert dies. Der FITS-Ingestor wird weiter entwickelt, um weitere Datenzugriffsprotokolle zu unterstützen, und paketiert, um ihn einfacher zu verteilen 2.4 Software-Pipeline für Weitwinkel-Photometrie Die Entwicklung von spezieller Software (Pipeline) für zukünftige großformatige Weitwinkel- Kameras wurde in Deutschland bisher außerhalb von GAVO betrieben. Inhaltlich passt diese Arbeit genau zu den Grundideen des VO und wird deshalb nun in diesen GAVO-III-Förderantrag mit eingebunden. Hier folgt eine etwas umfassendere Darstellung der bisherigen Aktivitäten in diesem Bereich, um die Hintergründe deutlich zu machen. Die Entwicklung moderner großformatiger Multichip-Kameras stellt Beobachter vor neue Herausforderungen hinsichtlich der Verarbeitung und Analyse der entsprechenden Aufnahmen. 8

9 Zum einen ist die Datenmenge sehr hoch, da bereits eine einzige Aufnahme mit den weiter unten erwähnten Instrumenten mehr als 1 GB Speicherplatz belegt. Systematische Surveys liefern schnell viele tausend solcher Aufnahmen. Dem kann nur durch entsprechend skalierte Hardware begegnet werden. Die andere Hauptschwierigkeit liegt in der Entwicklung spezieller Software, die den besonderen Eigenschaften solcher CCD-Kameras Rechnung trägt. Insbesondere müssen die Lücken innerhalb des CCD-Arrays überbrückt werden, was durch größere Verschiebungen der Einzelaufnahmen gegeneinander (das sog. large dithering) erreicht wird. Bei der anschließenden Datenreduktion führen dann aber die starken Bildfeld-Verzerrungen der Aufnahmen zu erheblichen Problemen bei der astrometrischen Kalibration der Daten. Desweiteren muss eine konsistente photometrische Kalibration für Objekte, die auf verschiedenen, überlappenden Chips liegen, sichergestellt sein. Mit den bald in Betrieb gehenden Weitwinkel-Kameras am VST (geplant: Ende 2008) und am VISTA-Teleskop (geplant: 2009) der ESO erhält auch die deutsche Community Zugang zu solchen Beobachtungsdaten. Im folgenden werden zunächst die bisherigen technische Entwicklungen der Weitwinkel-Photometrie dargestellt. Im Rahmen von Verbundforschungsprojekten der laufenden und vorherigen Periode haben die Gruppen in Bonn und Bochum in den letzten Jahren eine Datenreduktionspipeline (THE- LI) entwickelt, diese intensiv auf die Reduktion und Aufbereitung von Daten angewandt und an andere Institute im In- und Ausland exportiert. Dabei handelt es sich um eine stand-alone Pipeline, die unabhängig von kommerzieller Software arbeitet. Die Eigenschaften von THELI wurden ausgiebig in Erben et al. (2005) dargestellt; insbesondere ist die relative Astrometrie von Einzelaufnahmen genauer als 1/10 Pixel, eine notwendige Voraussetzung für die Koaddition von Einzelbildern ohne signifikanten Qualitätsverlust. Weiterhin ist die interne Photometrie der koaddierten Daten besser als 2/100 Magnituden. Die Entwicklung der Pipeline ging einher mit einigen Forschungsprojekten, die eine große Präzision der Astrometrie und der Photometrie erfordern Untersuchungen zum schwachen Gravitationslinseneffekt (verlangt sehr präzise Astrometrie) sowie zu photometrischen Rotverschiebungen (benötigt sehr gute Photometrie). Nur durch die unmittelbare Anwendung im Rahmen von wissenschaftlich herausfordernden Projekten konnte die Qualität der reduzierten Daten garantiert werden. Um eine effiziente Bearbeitung auch sehr großer Datensätze zu ermöglichen, wurden erhebliche Investitionen in die Hardware getätigt. Zur Zeit stehen speziell für diese Zwecke ein Linux Beowulf Cluster mit 38 Knoten und 40 TB Festplattenkapazität (RAID) sowie weitere Server zur Verfügung. Die Rechnerarchitektur orientiert sich an dem OmegaCAM-Instrument, welches als einziges Instrument am VST zum Einsatz kommt und mit Mitteln der Verbundforschung gebaut wurde. Das Hauptziel dieser Entwicklungen war die effiziente Nutzbarmachung dieses Instruments für die (deutsche) Community, und damit auch für kleinere Gruppen bzw. Gelegenheitsnutzer solcher Daten. In der Tat wird THELI inzwischen von zahlreichen Gruppen und Wissenschaftlern intensiv genutzt (Potsdam, München, Innsbruck, Concepción, Marseille, Santiago uvm.). Unter anderem am 2.2m MPG/ESO Teleskop auf La Silla, sowie am 2.5m INT und dem 4.2m WHT auf La Palma wird THELI routinemäßig zur Datenreduktion eingesetzt. Im Vergleich zur AstroWise-Pipeline, die im Rahmen eines EU-geförderten Projekts entwickelt wurde, ist THELI für Gelegenheitsnutzer deutlich attraktiver, da Software-Lizenzen (Oracle) entfallen. Weiterhin ergab ein Vergleich von AstroWise und THELI eine erheblich bessere photometrische und astrometrische Genauigkeit der koaddierten Bilder von letzterer. In den vergangenen Jahren wurde THELI für Datensätze verschiedenster Instrumente genutzt; Publikationen, die auf mit THELI reduzierten Daten beruhen, sind im Literaturver- 9

10 zeichnis angegeben. Im folgenden werden nun die für dieses Projekt relevanten bisherigen wissenschaftlichen Ergebnisse Weitwinkel-Photometrie. zusammengestellt. Die meisten wissenschaftlichen Ergebnisse dieser Arbeiten basieren auf Daten des MPG 2.2m-Teleskops, einer 8-Chip Kamera. Inzwischen sind bereits 9 referierte Publikationen dieses GaBoDS-Surveys erschienen, der hauptsächlich auf Archivdaten beruht (eine Zusammenfassung dieser Ergebnisse findet sich in Hetterscheidt et al. 2006); weiterhin haben auch andere Gruppen (z.b. in Heidelberg und München) mit GaBoDS-Daten gearbeitet (z.b., Maturi et al. 2007). Unter anderem wurden die Daten des ESO Deep Public Survey völlig unabhängig reduziert und im ESO-Archiv veröffentlicht (wobei zwei Fehler in der Reduktion des ESO Imaging Survey-Teams aufgedeckt werden konnten); diese Daten wurden zur Suche und Korrelationsanalyse von Lyman-Break Galaxien genutzt. Weitere Ergebnisse betreffen die quantitative Untersuchung der kosmischen Scherung, der Suche nach Galaxienhaufen mittels des schwachen Gravitationslinseneffekts und das sogenannte galaxy-galaxy-lensing, eine Methode zur Bestimmung von Galaxienmassen und des Biasing von Galaxien. In Bochum wurde THELI für die Suche und Charakterisierung von Galaxien niedriger Flächenhelligkeit (LSB-Galaxien) und Zwerggalaxien in Galaxiengruppen und im allgemeinen Feld (z.b. Trachternach et al. 2006), sowie sich auflösender Zwerggalaxien in Halos naher Spiralgalaxien (stellar streams; Schmithuesen et al. 2007) genutzt. THELI wurde auch für die Reduktion von HST-Daten benutzt; u.a. wurde ein Survey der Kosmischen Scherung aus ACS/HST-Archivdaten erstellt (Schrabback et al. 2007) sowie eigene Daten des Galaxienhaufens RXJ reduziert, was bisher ebenfalls zu zwei Publikationen führte (Halkola et al. 2007; Bradac et al. 2007). Zum ersten Mal konnte hiermit gezeigt werden, dass die Massenbestimmungen dieses Haufens mit unterschiedlichen Methoden (starker und schwacher Gravitationslinseneffekt, Röntgenstudie) zu sehr ähnlichen Ergebnissen führen. Weiterhin wurde im Rahmen der Dissertation von T. Schrabback eine völlig neue und unabhängige Reduktion des ACS-COSMOS Surveys durchgeführt, des größten mit dem HST durchgeführten Surveys. 2.5 Übergreifende Aktivitäten in GAVO-II Enge Kontakte zum CDS in Strasbourg, zu Euro-VO und zur IVOA (International Virtual Observatory Alliance) wurden etabliert, gepflegt und erweitert. Auch mit dem Projekt AstroGrid-D gibt es ständigen Austausch, so z. B. über die Standards des Virtuellen Observatoriums ( UCD ), die für die Datenverwaltung in einem Grid von großer Bedeutung sind. Die GAVO Web-Seiten 6 wurden aktualisert, verbessert und erweitert. Das neue Web-Portal, das auf Wiki-Basis entwickelt wurde, kann wesentlich einfacher gehandhabt und schneller aktualisiert werden. Neben häufigen Telefon-Kontakten und regelmäßigen Telefon-Konferenzen gab es an wechselnden Orten bisher fünf interne GAVO-II Meetings in der laufenden Förderphase, sowie eine Reihe bilateraler Begegnungen mit CDS-WissenschaftlerInnen. GAVO-II war auch bei allen AstroGrid-D-Meetings vertreten. Darüberhinaus haben GAVO-II Mitglieder an folgenden Veranstaltungen teilgenommen, zum Teil mit eingeladenen Vorträgen: Moskau (09/2006): IVOA Interoperabilitätstagung (Kim); Durham (09/2006): Zusammenarbeit in Sachen Millennium- Simulation (Lemson); Strasbourg (10/2006): Euro-VO DCA Kick-off (Lemson, Voges); Baltimore (10/2006): Microsoft e-science Workshop, Päsentation: Theory in the Virtual Observa

11 tory (Lemson); Triest (11/2006): Euro-VO DCA WP5 (Grid) Kick-off (Lemson); Villafranca, ESA Science Center (03/2007): EuroVO-Workshop Spectroscopy and the VO (Kim, Nickelt); Göttingen (03/2007): Wissensschicht im Grid (Nickelt); Baden-Baden (05/2007): German e- Science Tagung (Lemson, Voges, Wambsganss); Peking (05/2007): IVOA Interoperabilitätstagung (Kim, Lemson, Gufler); Villafrancai (06/2007), ESA Science Center: EuroVO Workshop Data publishing in the VO (Stampa); Cambridge (09/2007): IVOA Interoperabilitätstagung (Kim, Lemson, Voges, Gufler); Berlin (6/2007): Parlamentarischer Abend der Leibnitz- Gemeinschaft (Nickelt); Berlin, avarto/bertelsmann (11/2007): Im Wissensnetz (Nickelt); Villafranca (11/2007): ESAC Grid Workshop 2007 (Nickelt); Sofia (1/2008): Sofia VO Days 2008 (Nickelt). Auf der Jahretagung 2007 der Astronomischen Gesellschaft in Würzburg wurden die aktuellen und geplanten GAVO-Aktivitäten während der gesamten Woche in Form einer mit Postern unterstützten Präsentation vorgestellt. Der ständig mit zwei Personen besetzte Stand erfuhr regen Zuspruch, einige Konferenzteilnehmer zeigten ernsthaftes Interesse am VO. Wir sind im Gespräch mit diesen Gruppen, es wurde bereits damit begonnen, diese neuen Aspekte in die GAVO-Arbeit einzubinden. 3 Vorhabensbeschreibung, Projekte und Ziele für GAVO-III GAVO-III übernimmt zum einen den internationalen Beitrag der deutschen Astronomie zum EURO-VO und zur IVOA. Das umfasst unter anderem die aktive Mitarbeit bei der Formulierung und Festlegung von Standards, bei der Entwicklung von VO-Tools oder Protokollen. Zum anderen wird GAVO-III den VO-Service speziell für die deutsche Community weiter aufund ausbauen, gestützt auf die an den beteiligten Standorten vorliegenden Expertisen und wissenschaftlichen Schwerpunkte. Damit wird ein wesentlicher Beitrag zur Implementierung von Software-Basistechnologien und Schlüsselkomponenten geleistet, die für das Funktionieren eines virtuellen astronomischen Observatoriums notwendig sind. Mit GAVO-III wird die Anwendungssphase für das deutsche Virtual Observatory (VO) eingeleitet. Laufende Forschungsprojekte sollen begleitet und erleichtert werden, um so neue wissenschaftliche Fragestellungen und neue Lösungen zu ermöglichen. Die GAVO-III Aktivitäten sind hauptsächlich angesiedelt an den Universitäten Heidelberg, Bonn, Bochum und Tübingen (separater Antrag), nahezu immer aber institutsübergreifend. Die GAVO-Projekte werden in enger Abstimmung und Zusammenarbeit mit den Max-Planck-Instituten für Astrophysik in Garching (MPA), dem Astrophysikalischen Institut Potsdam (AIP), dem Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg (MPIA) sowie dem Informatik-Institut der Technischen Universität München (TUM) durchgeführt. Im folgenden werden die einzelne Projekte beschrieben, In Klammern wird die Anzahl der notwendigen Full Time Equivalents (FTE) angegeben, abgeschätzt für eine Laufzeit von drei Jahren (d.h. ein FTE entspricht 36 Personenmonaten). Für die bereits laufenden Projekte gibt es bereits eingearbeitetes und kompetentes Personal (siehe vorheriges Kapitel). Es ist für den effizienten Fortgang von GAVO extrem wichtig, dass diese Expertise innerhalb von GAVO erhalten bleibt, deshalb sind für die entsprechenden Aufgaben die Namen dieser Personen bereits aufgeführt. 11

12 3.1 Bereitstellung, Veröffentlichung und Pflege von Archiven Das Astronomische Rechen-Institut (ARI), das seit 2005 Teil des neu gegründeten Zentrums für Astronomie der Universität Heidelberg (ZAH) ist, hat viel Erfahrung in der Archivierung, Katalogisierung und Veröffentlichung von astronomischen Daten. Im Zuge von GAVO-III wird einerseits diese Tradition auf moderne Weise fortgeführt, andererseits wird das ARI in Zusammenarbeit mit den beteiligten Instituten MPA, AIP und TUM eine Infrastruktur aufbauen, die den nutzerfreundlichen Gebrauch dieser modernen Tools für die Community ausbaut und anbietet, insbesondere für AstronomInnen in der Ausbildung. Es ist eine Kernaufgabe des VO, astronomische Archive leicht zugänglich zu machen, indem diese Archive entsprechend den wohldefinierten international vereinbarten Standards online veröffentlicht werden. Die Spezifikation dieser Standards ist die Aufgabe der IVOA. Aufbauend auf der Erfahrung mit den mit einfachen IVOA-Standards (SCS, SIAP) publizierten Katalogen (ROSAT All Sky Survey Pointed Observations Archive, RAVE Archive) wurden inzwischen weitere Kataloge in VO-geeigneter Form der Allgemeinheit zur Verfügung gestellt. In GAVO- III werden diese Arbeiten wesentlich erweitert. Es wird eine Daten-Infrastruktur geschaffen werden, die eine große Menge an Archiven umfassen wird. Dazu werden die neueren und weiterentwickelten Standards wie ADQL und SkyNode benutzt, die wesentlich mehr Funktionalität bieten. Eine Veröffentlichung von Daten/Katalogen im VO schließt folgende Aspekte mit ein: a) Bereitstellung der Archive einschließlich der Metadaten, die die Datensätze beschreiben; b) Bereitstellung des Speicherplatzes, Einbau, Pflege, Wartung, Verwaltung der Datenbanken; c) Implementation von Software- Wrappern, die die IVOA-Daten-Zugangsprotokolle berücksichtigen (SCS, SIAP, SSAP, ADQL, SkyNode); die von der IVOA definiterte Protokolle implementieren, etwa SCS, SIAP, SSAP oder OpenSkyNode; d) Unterstützung der derzeit in Entwicklung befindlichen domänenspezifischen Abfragesprache ADQL; e) Bereitstellung dieser Dienstleistungen on-line; f) Auslieferung bzw. Darstellung von Ergebnis-Datensätzen in Standardformaten bei Unterstützung von legacy code (VOTable, HTML, FITS usf.); g) Semantische Auszeichnung der Ergebnisse; h) Registrierung der Datensätze und Dienste bei der weltweiten Registratur für Ressourcen im VO (VOResource, VORegistryInterface). Die Publikation von Daten wird dabei von den publizierenden Einrichtungen inhaltlich und vom Personal von GAVO III technisch begleitet und verantwortet. Die publizierenden Einrichtungen können dabei wählen, ob sie die Speicherung der Daten selbst vornehmen oder GAVO III (oder ggf. Astrogrid D) überlassen wollen. GAVO III wird in jedem Fall die Expertise zur standardkonformen Aufarbeitung der Daten liefern und die Pflege der entsprechenden Schnittstellen sicherstellen. 12

13 Das IVOA hat sich bisher auf eine eng begrenzte Teilmenge der Archiv-Arten konzentriert, nämlich zweidimensionale Bilder, Quellkataloge und eindimensionale Spektren. In Zukunft werden andere interessante Anwendungen und Bereiche dazu kommen, die von spezifischem Interesse für die Partner an diesem Antrag sind. Dies schließt ein: dreidimensionale Spektren, Quellen hoher Energien (Röntgen- und Gammastrahlen), vollständige Himmelsdurchmusterungen (All-sky Surveys, wie etwa CMB oder Gaia oder teilweise Pan-STARRS), Theorie- Datenprodukte (Simulationen, synthetische Spektren) oder vieldimensionale Datensätze (wie bei Gaia). Je heterogener jedoch die innerhalb des VO ausgetauschten Daten sind, desto größere Bedeutung kommt einer maschinell interpretierbaren, ausdrucksstarken Beschreibung der Daten zu. Eine solche Beschreibung wird jedoch zugleich bei zunehmender Breite der auszudrückenden Konzepte immer schwieriger, so dass die bisher verwendeten Mechanismen unified content descriptors (UCDs) und usage-specific types (utypes) wohl nicht mehr hinreichen werden. An Lösungen für dieses Problem arbeitet innerhalb der IVOA die Semantics Working Group, die aus den bei der Entwicklung des Semantic Web gewonnenen Erkenntnissen bereits Entwürfe für ontologiebasierte Beschreibungen entwickelt hat. GAVO III wird sich im Rahmen der Arbeit an Archiven an diesen Aktivitäten beteiligen und weiter mit dem Astrophysics Data System (ADS) der NASA kooperieren, einer digitalen Bibliothek im Bereich von Astronomie und Astrophysik, die ähnliche Probleme im Bereich der semantischen Auszeichnung zu lösen hat. Im Zuge dieser beginnenden Kooperation wurde bereits ein Spiegel des ADS am ARI eingerichtet, der erste in Deutschland, der die vollständige Sammlung von Volltexten anbietet. Konkret streben wir innerhalb von GAVO-III die nutzerfreundliche Implementierung, Bereitstellung, Pflege und Fortführung von folgenden Daten, Katalogen und Programmen an: A) Die umfangreichen Kompetenzen des ARI im Bereich der Astrometrie werden weiterhin durch die Bereitstellung von Katalogen sowohl des ARI selbst als auch dritter in das Virtuelle Observatorium gebracht. Dies betrifft etwa eine Neureduktion des USNO-B- Katalogs mithilfe des neuen PPMX-Katalogs unter Einbeziehung moderner Datenbanktechnologie, an der die Arbeit bereits begonnen hat (M. Demleitner, in Kooperation mit Siegfried Röser) Diese Daten im Beispiel immerhin rund ein Datensatz im Umgang von 100 Millionen Einträgen mit präziser Astrometrie und vielen Eigenbewegungen werden über VO-Standardprotokolle zur Verfügung gestellt. Eine Einbettung in das Astrogrid- D wird angestrebt. Dies könnte, um ein Beispiel zu nennen, etwa zu einer gridbasierten automatischen und präzisen astrometrischen Lösung fast beliebiger Himmelsaufnahmen genutzt werden; entsprechende Software ist bisher nur lokal einsetzbar. B) Analog wird der deutsche Spiegel des SDSS (Sloan Digial Sky Survey) mit vergleichbarer Technologie ausgerüstet, indem mit value-added Datasets zur Verfügung gestellt werden. Den Nutzern wird es mit dem Datenbanksystem ermöglicht, ihre eigenen Daten in der Datenbank zu lassen und sie leicht mit SDSS Daten abzugleichen oder zu verknüpfen. Diese Aufgabe wird in enger Zusammenarbeit mit MPA und der Johns- Hopkins-University in Baltimore fortgeführt. C) Daten und Programme der Stellardynamik-Gruppe des ARI sowie der n-body Gruppen von MPA und AIP werden für das VO aufgearbeitet und in Form einer Simulations- Datenbank als Webservice publiziert. Es wird angestrebt, diese Programme in gut kommentierter und leicht nutzbarer Form der Allgemeinheit zur Verfügung zu stellen, so 13

14 dass eine Reihe interessanter astrophysikalischer Probleme ohne langwierige eigene Programmentwicklung untersucht werden kann: Planetenentstehung, Dynamik von Kugelsternhaufen, Kinematik der Milchstrasse oder kosmologische Simulationen. Visualisierungstools, die direkt auf interaktiv laufende Simulationen angewandt werden können, werden weiterentwickelt und bereitgestellt. Zudem werden Daten der Milleniums-Simulationen in gleicher Form wie SDSS-Daten zur Verfügung gestellt. D) Im Zuge von GAVO-III wird die Einbindung der Daten des RAVE-Archiv in existierende VO-Tools und Services geprüft und verbessert, insbesondere für Spektraldaten. Das Daten-Interface wird mit den steigenden Datenmengen optimiert, vor allem in Hinblick auf Kriterien nach dem IVOA Spectral Data Model. Die VO String Definition und die VO Registrierungs-Protokolle werden vollständig umgesetzt. Die bei RAVE gewonnenen Erfahrungen und Verfahren werden angewendet für die Publikation weiterer spektroskopischer Datenkataloge aus den Bereichen Sonnenphysik (LOFAR), 3D-Spektroskopie (Muse) und Kosmologie (HETDEX/VIRUS), jeweils in Zusammenarbeit mit den entsprechenden Kollaborationen. E) Das ARI wird als Service für kleinere Universitätsinstitute in Deutschland das Datenarchiv für kleinere astrophysikalische Datensätze in den Regelbetrieb überführen. Als erster einzubauender Datensatz werden bereits jetzt in Kooperation mit der Landessternwarte Heidelberg und dem MPIA Archive des Bruce-Refraktors am Königstuhl und des Schmidt-Teleskops am Calar Alto digitalisiert und (etwa durch Berechnung astrometrischer Lösungen) aufgearbeitet. F) Heidelberg (ARI/ZAH, MPIA) ist wesentlich am Gaia-Satelliten beteiligt, einer Cornerstone- Mission der ESA, die im Jahre 2011 starten und für eine Milliarde Sterne Positionen, Entfernungen und Eigenbewegungen messen wird. Auch wenn die Einbindung der GAIA- Daten in das VO natürlich erst stattfinden kann, wenn der Satellit im Orbit ist, ist es bereits jetzt sinnvoll und notwendig, über Datenformate, Datenumfang, und die Art der Integration zu reden. Die aktive und teils federführende Einbindung von Heidelberger Wissenschaftlern in die Coordination Units der Gaia-Vorbereitung ist die ideale Basis für diese Aufgabe. G) Unter Weiterführung der bisherigen Kooperation mit dem AstroGrid-D entwickelt GA- VO in den kommenden drei Jahren einen Service aus der beobachtenden Astrophysik, in dem Grid-Ressourcen und ein VO-kompatibles Archiv kombiniert werden. Dabei verwendet eine Software-Reduktions-Pipeline Compute- und Storage-Ressourcen des AstroGrid-D, um Daten in VO-kompatibler Form zu publizieren. Für Reduktion und Storage-Management wird auf Protokolle und Services des AstroGrid-D zurück gegriffen. Das VO-kompatible Archiv stellt die Ergebnisse der Community zur Verfüung. Vorgehensweise und Softwarelösungen werden veröffentlicht. H) In der neuen Förderphase GAVO-III soll Langzeitarchivierung (LZA) soll ein weiteres Aufgabengebiet werden. Unter LZA versteht man generell die Erhaltung von wertvollen Primär- und Sekundär-Daten, möglichst inklusive deren Verarbeitungs- und Auswertesoftware- Systeme und die Verknüpfungen zu daraus entstandenen wissenschaftlichen Veröffentlichungen. Um die wissenschaftlichen Daten auch langfristig weiter benutzen zu können, müssen umfangreiche Metadaten erstellt werden, die wichtige Informationen, etwa über 14

15 die Herkunft, Art und Inhalte der Daten liefern. Diese sollen möglichst automatisch erzeugt werden können. Ideal wäre es, wenn das bereits bei der Aufzeichnung der Daten geschehen könnte. Die Langzeitarchivierung ist eine disziplinübergreifende Aufgabe, es gibt auf diesem Gebiet national und international bereits eine ganze Reihe parallele Aktivitäten, dabei sind viele wissenschaftlichen Communities beteiligt. Auch die IVOA hat eine Arbeitsgruppe gegründet, in der an der Erstellung eines sogenannten White Paper gearbeitet wird, um die Problematik und Aufgabenstellung zu formulieren und eine Roadmap zu entwerfen. GAVO ist daran beteiligt (Voges). In Deutschland beschäftigt sich bisher vor allem die Max Planck Digital Library (MPDL) mit dieser Thematik. Als Mitglied in der Alliance for Permanent Access to the Records of Science in Europe hat sie mit anderen Partnern (Deutsche Nationalbibliothek, Uni Göttingen, ESA, CERN, sowie weiteren Partnern aus Großbritanien und Niederlande) erfolgreich einen FP7 Antrag bei der EU eingereicht, dessen Förderung als PARSE.insight Projekt demnächst beginnt. Eine Zusammenarbeit mit der MPDL, die u.a. auch an dem nationalen LZA-Projekt Nestor beteiligt ist, wird es GAVO erlauben, Erfahrungen und Expertise zu übernehmen und gemeinsam Lösungen für die Langzeitarchivierung in der Astronomie zu erarbeiten. Diese Aufgaben wurden bisher schon vorwiegend am ARI/ZAH durchgeführt. Geplant ist, dass dies auch in der kommenden Förderperiode so bleiben soll. Beantragter Personalbedarf: 2.0 FTE (Demleitner, 0.5*Stampa, 0.5*Nickelt). 3.2 Weiterentwicklung/Implementierung von VO-Technologie und -Standards Die Publikation von astronomischen Archiven und die damit möglich werdenden verteilten Zugriffe, das Data-Mining und andere Werkzeuge basieren auf der Definition, Implementierung und Erweiterung der VO-Standards. Dieser im Rahmen der IVOA stattfindende Prozess wird durch GAVO-III unterstützt und vorangetrieben werden. Durch die Publizierung der Archive wird die Implementation der Standardabfragen (SCS, SIA, ADQL) verbessert und erweitert. Ein wesentlicher Teil der GAVO-Aktivitäten ist die Mitarbeit in den internationalen Working Groups der IVOA bei der Erstellung von IVOA Standards und ihrer Implementierung, insbesondere zu den Daten-Modellen und -Services (z.b. VOQL, UCD, Protokolle, und Registrierung), sowie die GAVO Repräsentation bei der IVOA und die Koordinierung der nationalen Aktivitäten. Dies ist sozusagen die Knochenarbeit, die als Vorbereitung im Hintergrund zu leisten ist. Die im Augenblick bereits abzusehenden Aufgaben sind hier aufgeführt, während der Laufzeit werden sich neue/weitere Themenbereiche ergeben A) Entwicklung von Tools zum Vergleich zwischen Simulations- und Beobachtungsdaten (ein GAVO Mitarbeiter ist Chair der IVOA Theory Interest Group). B) Weiterentwicklung und Ausbau des Catalogue Cross-Matcher (mit MPA/TUM). C) Weiterentwicklung des MPE FITS Ingestors, um eine Web-basierte Platform für den Datenaustausch zu schaffen, auf deren Grundlage Benutzer miteinander zusammenarbeiten können. Daten von unterschiedlichem Typ (z.b. Bilder, Quellkataloge, aber auch 15

16 Diagramme) können hochgeladen und bearbeitet werden. Schließ()lich wird der passende Standard für eine Publikation im VO angewandt. Ein Beispiel wäre ein Service zur Unterstützung beim Schreiben von Veröffentlichungen. D) Mehr-dimensionales Indexing für Data Mining Astronomical Catalogues (mit MPA). E) Entwicklung von Tools zum Data-Mining von sehr großen und teils auch komplexen Datensätzen (mit TUM). Gerade für die Informatik-Gruppe an der TUM stellen die konkreten Fälle, die GAVO bietet, sehr attraktive Anwendungen dar. Die astronomische Seite kann andererseits großen Gewinn ziehen aus der Expertise der Informatiker im Hinblick auf Nutzung von Datenbanken. F) Zusammen mit dem AstroGrid-D wird der Informationsservice Stellaris ausgebaut und Datenmanagement und -scheduling-verfahren implementiert. Dieser Service hat auch das Ziel, Daten innerhalb des AstroGrid-D vorzuhalten und bei Bedarf schnell zur Verfügung zu stellen. GAVO-III wird bei den anstehenden Entwicklungen sicherstellen, dass die Metadaten-Standards ( UCDs ) des Virtuellen Observatoriums in den Services des AstroGrid-D implementiert werden und so die VO-Konformität der verarbeiteten Daten zur Richtlinie wird. Bei Bedarf werden die bestehenden VO-Metadatenstandards in internationaler Zusammenarbeit erweitert. G) Existierende VO-Protokolle werden auf ihre Eignung zur Kommunikation von Services innerhalb eines Grids geprüft, gegebenenfalls weiter entwickelt und implementiert. Hauptziel ist die VO-konforme Integration robotischer Teleskope in Kollaboration mit dem OpenTel-Projekt des AstroGrid-D ( Open Network for Robotic Telescopes ). Dabei soll insbesondere das VOEvent -Protokoll Verwendung finden. Ebenfalls zu implementieren ist die VO-konforme Speicherung der gewonnen Rohdaten. Gegebenfalls sind auch hier die UCDs der IVOA für die besonderen Ansprüche der robotischen Teleskope zu erweitern. Die räumliche Nähe zwischen Heidelberg und Straßburg ermöglicht eine enge Zusammenarbeit mit dem CDS (Centre de Données astronomiques de Strasbourg) und dessen Leiterin Prof. Francoise Genova, die auch stellvertretende Vorsitzende der IVOA ist. Beantragter Personalbedarf: 2.0 FTE (0.5*Lemson, Kim, 0.5*Gufler). 3.3 Die Theorie-Beobachtungs-Schnittstelle Eine der Hauptaufgaben des VO besteht in der Verbreitung, Publikation und Föderierung von Beobachtungsdaten. Es wird allerdings auch immer schwieriger, die Beobachtungen mittels theoretischer Modelle zu interpretieren. Traditionelle Modelle sind oft zu einfach, um die große Komplexität detailreicher Beobachtungen einzuschränken, während es gleichzeitig oftmals schwierig ist, aus den komplexeren Modellen Voraussagen abzuleiten. Darüber hinaus ist es, vor allem für Himmelsdurchmusterungen und Satellitenexperimenten, notwendig geworden, Beobachtungen in größerem Detail zu planen. Dabei werden oft astrophysikalische Modelle sowie Modelle des Teleskops und seiner Instrumente herangezogen, um die Beobachtungsergebnisse näherungsweise vorherzusagen. In einem iterativen Verfahren wird eine optimale Beobachtungsstrategie ermittelt. Wohlbekannte Beispiele sind die Softwaremodule zur Berechnung von Belichtungszeiten, die für viele Teleskope on-line zur Verfügung 16

17 stehen. Obgleich diesen Modulen detaillierte Modelle der Instrumente zu Grunde liegen, sind die astronomischen Objekte eher rudimentär modelliert. Bisher reichen diese einfachen Planungswerkzeuge aus, aber in komplexeren Situationen und bei teureren Observatorien werden kompliziertere Modelle benötigt. Virtuelle Beobachtungen von realistischen Modellen lassen sich auch dazu nutzen, Kalibrations- und Analysesoftware zu testen und zu optimieren, bevor die echten Datenströme ankommen. Dies trifft etwa zu für die Simulations-Pipeline, die am MPA entwickelt wurde, um eine gute Beobachtungsstrategie für den Planck-Satelliten zu entwickeln, ebenso wird dies am ARI notwendig sein, um die Datenströme des Gaia-Satelliten modellieren zu können. Virtuelle Teleskope, SNAP, Online-Simulatoren In GAVO-III werden die bereits begonnenen Bemühungen fortgesetzt, die Lücke zwischen der beobachtenden Astronomie und der theoretischen Astrophysik zu verkleinern. Für die Abfrage und die Analyse von theoretischen Datensätzen werden Werkzeuge und Archive bereitgestellt werden, die dazu dienen, Beobachtungen zu planen und zu interpretieren. Dazu werden wir eine Suite von virtuellen Teleskopen entwickeln. Ein Beispiel dafür ist ein Modul, mit dem sich mittels hydrodynamischer Modelle Röntgenbeobachtungen von Galaxienhaufen simulieren lassen. Eine wichtige Funktion des VO besteht darin, Benutzern die Exploration von Daten und Diensten zu ermöglichen. Auf dem höchsten (allgemeinsten) Level wird dies durch die Resource Registry 7 erreicht. Auf dem untersten Level besitzen die unterschiedlichen Data-Access-Layer Protokolle jeweils ihren eigenen Explorations-Katalog. Das Datenmodell für Simulationen, das in der IVOA Theory Interest Group im Rahmen des Simple Numerical Access Protocol (SNAP 8 ) entwickelt wird, besitzt Eigenschaften, die eine Mischung der beiden oben genannten Explorationsarten benötigt. Innerhalb von GAVO wird ein erster Prototyp, das SNAP Portal entwickelt. Dabei werden Metadaten, die die Simulation beschreiben, in einer Datenbank gespeichert. Dieser Prototyp wird in GAVO-III zu einem voll funktionsfhigen Service für die Community weiterentwickelt. Wichtig bei SNAP ist, dass der Datenbankzugriff nicht länger einen einfachen Download darstellt, sondern allgemeinere Dienste umfassen kann. Dazu gehören z.b. Ausschnitte, Projektionen und andere Typen von Visualisierungen, insbesondere auch virtuelle Teleskope. Die Unterstützung für diese oft rechenintensiven Dienste liegt im Verantwortungsbereich der Eigentümer der Daten. Das Ziel ist jedoch, die Funktionalitäten, die im Rahmen von AstroGrid-D entwickelt wurden, soweit wie möglich zu benutzen. Innerhalb von GAVO-III wird auch angestrebt, existierende Simulationsprogramme in Webservices (online-simulatoren) umzuwandeln. So wird es dem GAVO-Nutzer erlaubt, selbst für seine Anwendung maßgeschneiderte Datensätze zu erzeugen. Beispiele sind online-simulatoren zur Berechnung von Sternatmosphären oder von semianalytischen Galaxienmodellen. Diese werden so konstruiert werden, dass ihr Output den VO-Standards genügt. Bestehende VO- Standards müssen für diese theoretischen Archive und Werkzeuge erweitert werden. GAVO-III wird seine Pionierrolle in diesem Bereich weiterführen, ein GAVO-Vertreter wird die entsprechende IVOA-Gruppe leiten. Durch den großen Umfang der Ergebnisse von Simulationen muss sogar für die Analyse and 17

18 von bereits bestehenden Ergebnissen auf Compute-Cluster und Speicherressourcen zurückgegriffen werden. Der Aufwand bei Zugriff und Analyse von Daten kann durch enge Verknüpfung von intelligentem Datenmanagement in einem Grid erheblich gesenkt werden. GAVO wird in Zusammenarbeit mit dem AstroGrid-D Verfahren entwickeln, mit denen Gridressourcen mit VO-kompatiblen Archiven verknüpft werden, um den automatisierten Zugriff auf die erheblichen Datenmengen zu ermöglichen. Die erweiterten Standards für Simulationsdaten werden dafür die Grundlage bilden. Diese Arbeiten werden schon bisher größtenteils von G. Lemson betrieben und koordiniert. Beantragter Personalbedarf: 1.5 FTE (0.5*Lemson, 0.5*Nickelt, 0.5 N.N.). Visualisierung mehrdimensionaler astronomischer Daten VizMAD In diesem Bereich beantragen wir ein spezielles Projekt zur Visualisierung mehrdimensionaler astronomischer Daten unter Federführung von Coryn Bailer-Jones (MPIA), der eine wichtige Rolle im Gaia Data Processing and Analysis Consortium (DPAC) spielt und die Coordination Unit leitet, die für die Klassifikation und astrophysikalische Parametrisierung der Gaia Daten verantwortlich ist. Diese Projektbeschreibung erscheint hier in englischer Sprache: Astronomical data sets are becoming not just larger, but also more complex. The upcoming Gaia Galactic survey mission will observe essentially all point sources in the sky brighter than G=20, an estimated 10 9 stars, galaxies, quasars and solar system objects. Primarily an astrometric mission, it will derive five-dimensional phase space coordinates for all objects: distances, angular positions, and proper motions. Radial velocities will be measured for the brightest million objects: the 6th phase space component. Every source will be measured in some 80 photometric bands (from low resolution spectrophotometry), from which several astrophysical parameters, e.g. abundances, effective temperatures, and age can be derived. The main objective of Gaia is to better understand the structure of the Galaxy, and to use this to infer its origin and evolution. The phase space and astrophysical information contains a fossil record of past events, not least relics of the accretion (or cannibalism) of smaller galaxies into the disk and halo of our Galaxy. Extracting the quantiative history of events will require careful fitting of subsets of the data to powerful physical models of Galaxy evolution. But before we can even get to this stage, and to achieve a qualitative understanding of the data, we need to visualize it. Visualization is key to the scientific process. The first thing we do with data is plot it. Visualization is central to understanding and interpreting our data and to explaining the results. It is, e.g., remarkable how simple 2D visualizations of the SDSS data have led to significant discoveries of streams in our Galaxy. Simple plots are the obvious first step, and have been very successful. Yet clearly this will only uncover the most obvious and rich structures. To find lower density structures we need higher sensitivity to low contrast features, and this can only be achieved by looking for correlations and clusterings amongst other metrics, and/or via careful selection and transformation of the observables. The primary objective of this VizMad project is to develop a scientific package for visualization of multidimensional, heterogeneous data sets which improves our ability to uncover meaningful structure in Galactic survey data sets and to apply this to existing data sets in order to discover structures which tell us about the composition and evolution of our Galaxy. Multidimensional refers to more than three measured attributes: typically we may have two or three spatial dimensions, zero to three velocity components, any number of colours or 18

19 spectral elements and/or multiple astrophysical parameters extracted from these (e.g. effective temperature, line-of-sight extinction, surface gravity, abundaces). The specific domain of application is to Galactic structure, the specific goal to use these data sets to infer the composition and origin of our Galaxy. Example data sets are SDSS (being available already), PanStarrs (being collected soon) and Gaia (getting ready shortly after the end of the funding period). A scientific example is the identification of fossils of the accretion of galaxies onto our Galactic halo: The resulting stream may have a very low spatial density and thus very low contrast against the halo background, however, will remain clustered in velocity space and possibly also retain a distinct signature in the abundances. In order to select such a structure against a noisy background. We must take into account spatial information in addition to the velocity date, generally also metallicities and possibly also colours or astrophysical parameters as a means of selecting the appropriate stellar population. This can only be done with sophisticated means of visualizing higher dimensional data and interactively switching between views, selecting and combining data etc. Another important point which our work will address is exactly how to compare data with models. In practice it is often best to make this comparison in the observed data space rather than the theoretically ideal coordinate space, because it is more accurate to map complete model predictions into the observed data space than it is to map noisy, biased and often incomplete observations into a theoretical space. Of course there exist many visualization products on the market, both generally and within the domain of astronomy (meaning they were developed or adapted for astronomical use). Aside from several standard, basic 2D and 3D plotting packages (SM, PGPLOT, R) there are more sophisticated 3D packages such as IDL 9 and s2plot 10. Another example is partiview 11, a generic particle simulator, which has been used by the Hayden Planetarium at the American Museum of Natural History (New York) for visualizing the Galaxy in three spatial dimensions using Hipparcos data 12. 3D motions based on Hipparcos proper motions and radial velocities from the Geneva-Copenhagen survey can also be shown. Although primarily intended for public outreach and popularization, these kinds of displays are also very insightful to the professional astronomer. However, for one thing, We will make use of and extend appropriate existing software where possible. The focus of our work is not on computer graphics and rendering itself. Rather we wish to incorporate existing graphics/plotting libraries or packages into a framework which can be used to visualize and therefore extract information from specific specific astronomical data sets. The work plan is divided into four phases: Phase 1: Assessment. The first task of this VizMad project will be a thorough analysis of existing software packages: identify potentially useful packages, both commercial and open source and within and beyond astronomy; install software and obtain test licenses as necessary; assess the suitability of the packages for carrying out the generic visualization tasks; select software package(s) or libraries which will form the basis of the VizMad system By library we mean a set of general software libraries for plotting and data manipulation without any specific framework for implementation. By package we mean software with a user interface and I/O features that can be used as is. 19

20 In this stage it has to be determined whether or to what extent existing software can be modified to our needs. After assessment and selection of the base libraries/package, there are three possibilities of how to proceed. If the base libraries/package are open source then full freedom, limited only by manpower. The second possibility is that we select proprietary software, in which case we would have to negotiate a contract with the manufacturer to implement our desired modifications. We are not keen on this option, because it separates the software development from its application which is unfavorable for this project. The third option is to write an entirely new software package, incorporating only and exactly what we require. Yet even in this case, the software would make extensive use of existing libraries for plotting and data manipulation (many exist in C, C++ and Java, for example), so we would by no means be starting from zero or re-inventing the wheel. Assuming that we go with the first or third option, the result of this assessment is that that we will select the specific package/libraries which will form the basis for further development in phase 2. Phase 2: Development. In this phase we will design, develop, implement and test Viz- Mad: define the functional requirements necessary to meet the scientific objectives, design a software system to meet the functional requirements. This identifies the static and dynamic architecture, interfaces to libraries and user interfaces; development refers to software writing and unit testing of the components. The kind of functionality which the software should have, includes 2D and 3D plotting of scalar and vector quantities; adaptive kernels for smooting data; plotting of individual particles (stars) or of smoothed maps; display of multiscalar data; data filtering and selection; variable transformation and feature extraction; object classification and pattern recognition; clustering. Some of these features, in particular those related to classification and clustering, will profit directly from the work being done by the PI s group in relation to Gaia. Phase 3: Application. This phase concerns the application of VizMad to real scientific data in order to directly address the scientific goals of this project. It can start as soon as one cycle in phase 2 has been completed, which marks the existence of a working system (albeit with reduced functionality). The first application will be to the publicly available SDSS and SEGUE data, and will focus on the search for structures based primarily on 4-colour and 2D spatial data, plus a subset of data (with spectra) with additionally radial velocities and astrophysical parameters. The immediate objective is to extend to substructure detection work to lower contrast through use of better identified tracers and by working in a more appropriate data space. Where possible and appropriate, the basic SDSS data will be supplemented with JHK 2MASS data and proper motions from the USNO catalogue. A second application will be to PanStarrs data. Photometrically this is similar to SDSS, but goes deeper, covers more of the sky and has variability in all bands, thus opening the time dimension which will help with the identification of some tracers of Galactic structure (e.g. RR Lyrae). Gaia data will only become available after completion of this first three-year period, so will be the subject of the extend project and a possible future proposal. Phase 4: Legacy. At the end of the project we will wrap up and assess how to continue. At the minimum the work will be published in the form of technical publications on the software and algorithms as well as scientific results in the astronomical literature. This will include a specific proposal on how to extend and apply the tool to the exploitation of the Gaia data. The software will be made available for others to use. As far as possible and as the incorporated libraries allow, we will release the code (binary and source) publicly, for example 20