Современные научные публикации переполнены новыми словами и смыслами. Big Data, Data-mining, Machine-learning, Deep-learning и Artificial intelligence для многих давно стали вполне привычными понятиями. Мир меняется рекордными темпами, а человечество производит все больше информации.
За первые несколько недель своей работы Слоуновский цифровой обзор неба (Sloan Digital Sky Survey — SDSS) с помощью одного телескопа в 2000 г. собрал больше данных, чем накопилось за всю предыдущую историю астрономии. К 2010 г. архив SDSS собрал 140 терабайт — ныне такой объем собирается менее чем за сутки. В 2017 г. пользователи мобильных устройств ежедневно генерировали 2,5 экзабайт.[1] За последние два года было создано около 90% всех уже существующих данных.[2] Лучшие умы научного мира и бизнеса сосредоточили свои усилия на изучении и овладение новым «океаном», состоящим не из атомов и молекул, а из цифр, текстов, таблиц и образов.
Единственной сферой деятельности человечества, которая в течение тысяч лет уже работала с Big Data, была астрономия. С учетом указанных выше глобальных изменений в информационных технологиях можно было бы ожидать, что именно в ней будут достигнуты наиболее впечатляющие результаты в использовании новых подходов. Все оказалось не так просто, но именно команда украинских ученых на основе новейших математических методов и алгоритмов создала принципиально новый инструмент для астрономических исследований. Речь идет об уникальной разработке под названием CoLiTec, позволяющей объединить, обработать и получить результаты по итогам тысяч сеансов наблюдений, произведенных как любителями, так и профессиональными учеными-астрономами. Это миллионы снимков звездного неба, сделанных с помощью тысяч телескопов с различным качеством, точностью и уровнем обработки. Ну чем это не дата-майнинг?
Программа CoLiTec: как и для чего это работает
Современные системы поиска астероидов за ночь формируют огромное количество снимков больших участков небесной сферы. В мире не существует достаточного количества ученых-астрономов для просмотра этих сырых наблюдательных данных за приемлемое время. Особенно серьезные трудности возникают при обработке кадров, полученных светосильными широкопольными астрографами, в поле зрения которых может находиться одновременно несколько десятков астероидов со слабым блеском. Решением этой проблемы является внедрение автоматизированного обнаружения объектов с визуальным подтверждением полученных результатов.
На момент начала исследований по созданию CoLiTec в Украине, странах СНГ и Балтии не было ни одной действующей программы автоматизированного поиска астероидов и комет. Это обстоятельство приводило к весьма низкой эффективности наблюдений малых тел Солнечной системы в обсерваториях этих стран. Не только профессионалы, но и многочисленные астрономы-любители испытывали обоснованные переживания, боясь пропустить что-то значимое и важное в ворохе полученных «сырых» данных.
Весь этот комплекс проблем должен был решить CoLiTec. Основной технической идеей, лежащей в его основе, стало использование метода накопления данных вдоль траекторий с неизвестными параметрами.
Новый метод существенно выигрывает по сравнению с традиционным «стробовым» методом обнаружения треков движущихся объектов. На 10 кадрах, полученных телескопом, при одном и том же его энергетическом потенциале можно увидеть небесные тела со вчетверо меньшей яркостью (эффективной поверхностью рассеивания) — иными словами, проницающая способность инструмента улучшается на 1,5 звездных величины только за счет вычислений, за счет использования метода накопления данных.
Еще одной примечательной особенностью CoLiTec является возможность эффективного обнаружения астероидов с околонулевым видимым движением, то есть со сдвигом между кадрами, соизмеримым с ошибками измерения положения объектов. Это особенно важно, поскольку среди подобных объектов имеются и те, которые могут находиться на траектории столкновения с нашей планетой. Угловая скорость перемещения многих тел из этой категории не превышает нескольких среднеквадратичных отклонений ошибок измерения положений на снимке. Поэтому классическими методами они просто не могут быть обнаружены. Для этой цели в программе CoLiTec реализован новый метод, основанный на проверке значимости угловой скорости объекта.
На данный момент CoLiTec — единственна находящаяся в открытом доступе программа с автоматическим выделением объектов с ненулевым видимым движением, одна из лучших по точности наблюдений, а также единственная в мире надежно работающая на широких полях. Кроме того, это единственная программа такого рода в постсоветских государствах. Она выполняет внутрикадровую и межкадровую обработку данных с помощью алгоритма обнаружения объектов на основе накопления статистик, пропорциональных энергии изображений, вдоль возможных траекторий движения.
В CoLiTec реализован метод распараллеливания обработки данных, позволяющий их оперативно обрабатывать и подтверждать наиболее интересные обнаруженные объекты непосредственно в ночь открытия. Имеются блоки обнаружения очень медленных и очень быстрых объектов. К примеру, с помощью первого из них была открыта популярная в свое время комета ISON. На данный момент программа адаптирована к использованию на широкопольных телескопах. Так была найдена комета P/2013V3 Nevski (телескоп Genon, поле зрения 7,0º×4,0º).
CoLiTec наглядно представляет результаты своей работы с использованием специального визуализатора с дружественным интерфейсом. Им можно независимо просматривать уже полученные результаты, пока основная программа продолжает обработку данных.
Программа также обеспечивает возможность публикации кадров, отснятых на обсерваториях, которые ее используют, в рамках SIA протокола IVOA. Она разбита на отдельные блоки, реализует идеологию открытой архитектуры и позволяет независимо применять на каждом этапе разработанные программные средства.
Использование инструментария CoLiTec в рамках реальных исследований быстро доказало свою эффективность. Так, за период ночных наблюдений 3 января 2011 г. наблюдателем ISON-NM Леонидом Елениным с помощью программы было открыто 32 астероида, что является рекордом для данной обсерватории. В целом в эту ночь с использованием СoLiTec было произведено 3868 наблюдений 967 астероидов, что также стало абсолютным рекордом.
За последние несколько лет программа применялась для автоматизированного обнаружения астероидов на Андрушевской астрономической обсерватории (Житомирская обл., Украина), в обсерватории ISON-NM в штате Нью-Мексико (Mayhill, NewMexico, USA), а также в обсерваториях ISON-Кисловодск и в ISON-Уссурийск. Сейчас программа CoLiTec — одна из немногих в мире, которая активно и весьма эффективно используются как профессионалами, так и астрономами-любителями. Причем для последних (а это десятки и сотни тысяч людей по всему миру) она является практически единственным шансом не только детальнее рассмотреть небесные тела, но и открыть что-то важное для науки и человечества. С помощью CoLiTec простой человек с телескопом и ПЗС-камерой превращается в участника научного процесса, способного на открытие мирового уровня.
История создания программы
Идея о необходимости создания подобной системы пришла к одному из ее разработчиков, научному и идейному вдохновителю Вадиму Саваневичу еще в 1988 г., когда он проходил службу в Центре контроля космического пространства ВС СССР («Ногинск-9»). Затем была аспирантура и докторантура в Харьковской военной академии, работа с такими выдающимися учеными, как Виктор Деденок, Сергей Кузьмин и Эдуард Петров, которые углубленно изучали вычислительные методы межкадровой (вторичной) обработки радиолокационной информации.
В августе 1990 г., в сотрудничестве с Виктором Деденком, был разработан метод накопления данных вдоль траектории с неизвестными параметрами. До 2006 г. метод прошел несколько стадий совершенствования и формализации. В начале 2009 г. Вадим Саваневич совместно с наблюдателем евпаторийского телескопа АЗТ-8 Александром Брюховецким занялся разработкой автоматического обнаружения слабоконтрастных искусственных спутников Земли (ИСЗ) на серии CCD-кадров. Текст диссертации и программный код создавались параллельно. Теоретические выкладки по новому методу начали превращаться в работающую систему.
В марте 2009 г. проект CoLiTec вышел на стадию практической реализации. Толчком к этому послужила встреча рабочей группы с Юрием Иващенко, который на собственные средства создал в небольшом городке Андрушевка частную астрономическую обсерваторию. На тот момент на ней уже открыли несколько сотен новых астероидов. Юрий Николаевич заинтересовался изложенным методом и предложил проверить его на практике. В то же время стало ясно, что официальным структурам Украины наблюдения ИСЗ реально не интересны, что привело к переносу внимания проекта на астероиды.
Летом 2009 года в проект пришли Александр Кожухов и Владимир Власенко.
В мае 2010 г. в автоматизированном режиме в Андрушевской астрономической обсерватории были открыты два астероида — впервые в странах СНГ и Балтии. В ноябре того же года астроном Леонид Еленин предложил использовать CoLiTec на обсерватории ISON-NM, что и было реализовано 27 ноября 2010 г. А уже 10 декабря 2010 г. Леонид открыл свою первую комету С2010 Х1 Elenin, которая стала первой новой кометой в СНГ (и первой, открытой в автоматизированном режиме).
