Rapport d'activité 2001-2003 XI. Les centres de traitement des données Le laboratoire de détection spatiale La spécificité du groupe étalonnage et traitement de données A travers ses participations aux centre de traitement de données des grandes missions spatiales (ISO, XMM, INTEGRAL et bientôt Herschel) le groupe étalonnage et traitement de données a acquis une solide expérience de l’architecture logiciel des centres de traitement de données. En liaison étroite avec les développements instrumentaux le groupe intervient dans : Le développement et la livraison de logiciels d’analyses technologiques L’organisation des étalonnages scientifiques au sol et en vol Le développement, l’étalonnage et la livraison des matrices de réponse Le développement et la livraison de logiciels scientifiques Le développement des bases de données et des catalogues scientifiques MEGACAM est utilisée au SAp à travers la complémentarité des programmes XMM-LSS et CFHTLS “Legacy surveys“ (voir chapitre Cosmologie et Evolution des galaxies) en identifiant optiquement les sources X. Ainsi on évalue l'évolution de la distribution spatiale des amas et leur nombre en fonction du temps. Le programme CFHTLS Legacy surveys regroupe trois sondages, l'un dit 'profond' (4 régions du ciel de 1°2 ), un autre dit 'large' (3 régions du ciel de 7x7°2 - pose 1hr) et enfin 'extra large' (1300 régions du ciel de 1°2 - pose 5mn). Il doit permettre en outre de détecter et d'identifier le mouvement des objets trans-neptuniens du système solaire, du mouvement des étoiles de notre Galaxie, de la détermination de la géométrie de l'Univers, des propriétés de la matière noire, de la découverte et du suivi des supernova, de la distance des quasars et des amas de galaxies, de la relation entre matière noire et matière brillante. La maîtrise des différentes activités, depuis l’intégration des instruments, les étalonnages sol et vol, la production des matrices instrumentales et la réalisation des logiciels de traitement, permet aux chercheurs du service de se positionner comme leader de l’exploitation scientifique des données. Au cours de ces dernières années le groupe s’est illustré sur trois projets : La création d’une base de données pour le projet MEGACAM et les participations, conséquentes, au centre de traitement de données des missions spatiales XMM et INTEGRAL. MEGACAM et le projet TERAPIX Contexte En 2003, la plus grande caméra astronomique du monde, MEGACAM (figure 1), installée au foyer du télescope de 3,6m de diamètre de l'Observatoire Canada-FranceHawaii délivrait ses premières images. Cette caméra est le fruit d'un long travail de conception et de réalisation par les ingénieurs et chercheurs du CEA dont le SAp a été l'un des principaux investigateurs. Le défi de MEGACAM est de cartographier de vastes régions du ciel à des magnitudes pouvant atteindre 28. Cette caméra grand champ de 1°2 permet d'ambitieux programmes d'observations à différentes longueurs d'ondes à travers les sondages CFHTLS et XMM-LSS. Cette vaste couverture du ciel génère un flot important de données (700Moctets par image) lesquelles dans le cadre du CFHTLS sont prises en charge par le centre de traitement TERAPIX (Traitement Elémentaire, Réduction et Analyse des PIxels de MEGACAM) localisé à l'IAP (Institut d'Astrophysique de Paris) . Service d'Astrophysique 2001-2003 Figure 1: La caméra MEGACAM et ses CCD de 10 millions de pixels chacun. Les modes d'observations permettent une automatisation de la chaîne de traitement, automatisation effectuée par TERAPIX. Ce centre a pour responsabilité principale de nettoyer et d'évaluer la qualité des images, de produire de nouvelles images étalonnées et de générer des cartes du ciel dans le cadre du legacy survey. TERAPIX est couplé conjointement avec le CADC et le CDS qui ont respectivement la responsabilité du stockage des données brutes et du stockage des données finales officielles générées par TERAPIX. Structuré autour d'un pipeline de traitement et d'une base de données, TERAPIX doit également conserver la mémoire de l'ensemble des opérations effectuées et générer un catalogue de travail des objets astronomiques identifiés (on peut détecter près de 300000 objets par image profonde). DSM - DAPNIA 66 Les centres de traitement des données Rôle du SAp Rôle du SAp Le Service d'astrophysique a pris une part active dans la conception et la réalisation de la base de données de travail du centre TERAPIX (plus de 35000 lignes de code ont été livrées). Les défis relevés par la base de données sont la gestion d'une granularité fine des données, la rapidité des recherches multicritères sur les images ou les objets catalogues et la création d'un modèle permettant une navigation et une visibilité exhaustive de l'historique des traitements. Des évaluations ont été menées au préalable sur les technologies à adopter [1]. Le SAp était chargé (avant le lancement) de l’Intégration et des Tests de la moitié du système. Ayant participé (consortium EPIC) à la réalisation de l’instrument EPIC/MOS, il est chargé de réaliser les logiciels associés (destinés à l'ensemble de la communauté), ainsi que d’assurer leur maintenance et leur évolution. Enfin, il participe à la vérification systématique des résultats de l’analyse automatique. Des contraintes supplémentaires ont été adjointes à la base de données à savoir la portabilité du logiciel, l'indépendance avec la base de données relationnelles, le support de la flexibilité du format des images d'entrées et le support d'instrument divers (en particulier la coaddition d'images d'instruments divers). La caméra MEGACAM est dorénavant opérationnelle pour un programme d'observation défini par le CFHTLS qui devrait durer 5 ans. XMM et le projet SSC Contexte Le SSC (Survey Science Center) a la tâche d'analyser systématiquement toutes les données du satellite XMMNewton au fur et à mesure de leur obtention, afin de constituer une base de données homogène ouverte à la communauté. Pour cela, le SSC réalise environ la moitié des logiciels du Science Analysis Software (SAS), à parité avec le SOC, qui gère XMM-Newton à l’ESA. Le SSC doit aussi construire le catalogue des sources détectées par XMM-Newton. Il s'agit de rechercher et caractériser toutes les sources de chaque champ (une centaine) et si possible les identifier dans les bases de données existantes. Le consortium SSC [2], conduit par M. Watson de l'Université de Leicester (GB), a été formé en 1995, et sélectionné officiellement en février 1996. Le satellite a été lancé le 10 décembre 1999. La période 2001-2003 couvre l’essentiel des opérations d’analyse systématique, et la construction du premier catalogue de sources. La mission du SSC se poursuivra jusqu’à la fin de l’exploitation d’XMM-Newton, probablement vers 2010. Au 31 décembre 2003, 2883 observations ont été distribuées aux observateurs après être passées avec succès par l’analyse automatique (sur 3041 effectuées). La première version du catalogue des sources XMM (baptisée 1XMM) a été livrée à la communauté en avril 2003. Ce catalogue contient toutes les sources secondaires (en général inconnues préalablement) détectées au cours de chaque observation à côté de la cible principale de l’observation. Le nombre total de sources est de 57 000 dont 33 000 détectées avec une grande confiance. Cette première version est le résultat de 585 observations couvrant 50 degrés carrés environ, obtenues principalement en 2000 et 2001. 67 DSM - DAPNIA Les logiciels pour EPIC/MOS étaient déjà fonctionnels début 2001. La maintenance n’a pas demandé beaucoup de travail (seulement 14 erreurs rapportées en trois ans). En revanche, un grand nombre d’améliorations ont été apportées lors des évolutions successives du SAS (la version courante est 6.0). Nous avons fourni un algorithme permettant de repérer automatiquement les pixels et les morceaux de lignes ou colonnes brillants sur le CCD, un algorithme de détection de pixels clignotants, un algorithme de correction d’erreurs dans la ligne de base, algorithmes qui réduisent fortement les fausses détections de sources dues aux défauts des CCDs. Un nouvel algorithme de réjection des particules en mode temporel réduit le bruit de fond d’un facteur trois. Une méthode permettant de corriger de l’efficacité hors-axe photon par photon, et une méthode permettant de rejeter des pixels brillants a posteriori, rendent l’exploitation scientifique des données plus facile. L’ensemble des logiciels fournis par le SAp pour le SAS représente environ 22000 lignes de code (essentiellement en Fortran 90) et la documentation associée. Le SAp (comme les autres instituts du SSC) assure la vérification visuelle des résultats de l’analyse automatique. Entre juillet 2001 (début de cette activité) et fin 2003, nous avons assuré la vérification de 304 observations. Cette activité est un peu fastidieuse mais permet de garder le contact avec les données presque en direct, et ainsi de vérifier que les traitements restent adaptés à l’instrument au cours de son évolution. Figure 2: Le détecteur EPIC/MOS sur XMM-Newton est composé de 7 CCDs indépendants. Les logiciels développés au SAp permettent en particulier de s’affranchir des différents types de bruit (électronique, dû aux particules chargées) qui s’ajoutent aux vrais photons X. L’image de gauche est ce qu’on reçoit du satellite, l’image de droite ce qu’on livre aux observateurs. La source X centrale y est pratiquement inchangée, alors que la majorité du comptage parasite a disparu. Service d'Astrophysique 2001-2003 Les centres de traitement des données Autres points Des réunions de consortium de l’ensemble du SSC sont organisées tous les six mois, pour permettre à chacun d’être informé des activités en dehors de la sienne propre. Nous avons bien sûr participé à ces réunions, et avons assuré l’organisation de l’une d’entre elles à Paris (en septembre 2003). En parallèle, des réunions plus spécialisées sont organisées par thème. Nous avons participé à toutes les réunions portant sur les logiciels et le catalogue. Depuis le lancement, l’installation et la maintenance du SAS au SAp, pour tous les utilisateurs d’XMM-Newton, sont assurées par l’équipe SSC. Grâce à son implication dans le SSC, le SAp a pu disposer d’une version à jour des traitements pour les instruments auxquels il n’était pas directement associé (EPIC/PN, RGS). La participation du SAp au SSC a été rendue possible par sa participation à l’instrument EPIC/MOS sur XMM. Elle est la suite logique de l’implication dans la construction de l’instrument. Le projet XMM/LSS de grand relevé associant XMM-Newton (rayons X) et MEGACAM (optique) est à l’inverse un descendant du SSC. Les activités scientifiques du SAp liées à XMM-Newton sont nombreuses. Les sujets principaux en sont les amas de galaxies, les restes de supernovae, le centre de notre Galaxie, les systèmes binaires autour d’une étoile à neutrons ou d’un trou noir et les étoiles jeunes. INTEGRAL et le projet ISDC Contexte Le centre des données scientifiques d’INTEGRAL, l’ISDC (INTEGRAL Science Data Center), est chargé d’archiver, de pré-traiter, d'analyser et de distribuer les données d’INTEGRAL. L’ISDC, avec l’apport des équipes instrumentales, a en particulier la tâche d’assurer la nature observatoire de la mission et de permettre aux non-spécialistes de traiter et analyser les données d’INTEGRAL. L’ISDC, basé à Versoix (Genève, Suisse), est une collaboration d’instituts1 coordonnée par l’Observatoire de Genève. Il fait partie intégrante du segment sol scientifique de la mission INTEGRAL, dirigé par l’ASE (Agence Spatiale Européenne). Les taches principales de l’ISC sont les suivantes : • réception et archivage de la télémétrie envoyée en temps réel par le centre de contrôle des opérations; analyse en temps réel des données IBIS/ISGRI pour détecter et positionner les sursauts gamma 1 Observatoire de Genève, Suisse ; Danish Space Research Institute, Copenhague, Danemark ; UCL Dublin, Irlande ; Istituto di Astrofisica Spaziale, Rome, Istituto di Fisica Cosmica G. Occhialini, Milan, Italie ; Université de Tübingen, Max Planck Institut für Extraterrestrische Physik, Garching bei München, Allemagne ; Université de Liège, Belgique ; Université de Southampton, Royal Appleton Laboratory, Oxon, Royaume-Uni ; Institut Copernicus, Varsovie, Pologne ; Nasa Goddard Space Flight Center, Greenbelt, USA. Service d'Astrophysique 2001-2003 • décommutation, prétraitement, suivi technologique des données • analyse scientifique dite de quick look pour la recherche de nouvelles sources gamma et de sources transitoires • analyse standard des données, et étalonnage standard en vol des instruments avec création des produits standards à fournir aux observateurs • archivage des produits standards, distribution des données et support aux utilisateurs du système Rôle du SAp Le Service d’Astrophysique du CEA participe à ce projet depuis 1996. Il a contribué notamment au contrôle de configuration du système de l’ISDC et au déroulement des tests des logiciels délivrés, d’abord depuis Saclay avec des liaisons électroniques et puis à Versoix avec la présence entre 2001 et 2003 d’un ingénieur informaticien spécialisé dans ce domaine. Le SAp a aussi activement contribué au développement et à l’installation des logiciels spécifiques de traitement et d’analyse des données de l’instrument IBIS, notamment par des études approfondies des méthodes de déconvolution et d’analyse d’images des systèmes à masque codé [3,4]. Les logiciels de traitement et d’analyse permettent, dans un premier temps, de corriger, de reconstruire et de nettoyer les images du ciel à partir des données bruts, puis dans un deuxième temps, de les combiner et de les analyser pour détecter des sources éventuelles. Les spectres et les courbes de lumière des sources détectées sont ensuite extraits et corrigés des différents effets instrumentaux. Enfin la réponse de l’instrument est calculée et fournie dans une forme convenable pour la détermination des paramètres scientifiques des sources (figure. 3). Figure 3: La caméra IBIS/ISGRI sur INTEGRAL est composé de 16384 détecteurs indépendants. Les logiciels développés au SAp permettent de nettoyer et de reconstruire les images. L’image de gauche est ce qu’on reçoit du satellite après correction de fond, l’image de droite ce qu’on reconstruit en tenant compte des propriétés du masque. Les logiciels d’analyse ont d’abord été testés sur des données de simulations et d’étalonnage au sol puis poursuivi ensuite avec les données de vol recueillies pendant la phase de vérification des performances (octobre - décembre 2002) [5]. Enfin les logiciels ont été améliorés durant l’année 2003. Le SAp a contribué aux livraisons du software d’analyse standard à la communauté astronomique (l’Off-line Scientific Analysis) [6]. DSM - DAPNIA 68 Les centres de traitement des données A partir du lancement jusqu’à fin 2003, le SAp a supporté l’ISDC dans la tâche d’analyse scientifique « quick look » et du suivi technologique de la caméra ISGRI en vol. Cette contribution a été matérialisée par la présence « sur place » d’un jeune astrophysicien du SAp et d’un ingénieur. Autres points L’expérience acquise par le groupe du SAp dans le projet SIGMA (télescope gamma aussi basé sur l’imagerie à ouverture codée) a été largement mise à profit et permet aujourd’hui au SAp de se positionner comme un des groupes leader de l’analyse et de l’exploitation scientifique des données d’INTEGRAL. Références [1] Didelon, P., Morin, B., Proceedings of the SPIE, Volume 4836, pp. 377-386 (2002) [2] Watson, M.G. et al. 2001, A&A 365, L51 69 DSM - DAPNIA [3] Gamma-Ray Imaging with the Coded Mask IBIS Telescope.A. Goldwurm, P. Goldoni, A. Gros, J. Stephen, L. Foschini, F. Gianotti, L. Natalucci, G. De Cesare, M. Del Sant2001, Conf. Proc. of the 4th INTEGRAL Workshop “Exploring the GammaRay Universe”, 4-8 Sep 2001, Alicante, Spain, Eds. A. Gimenez V. Reglero & C. Winkler, ESA SP - 459, 497 [4] IBIS/ISGRI Data and AnalysisP. Goldoni, P. David, A. Goldwurm, A. Gros, P. Laurent, F. Lebrun 2002, Comptes rendus de la conférence « The Gamma-Ray Universe », XII Rencontres de Morion d’Astrophysique, 9-16 Mars 2002, Les Arcs, Savoie, France, éditeurs A. Goldwurm, D. Neumann et J. Trân Thanh Vân, Thê Giói Publishers, Vietnam, p. 435 [5] The INTEGRAL IBIS/ISGRI System Point Spread Function and Source Location Accuracy A. Gros, A. Goldwurm, M. Cadolle-Bel, P. Goldoni, J. Rodriguez, L. Foschini, M. Del Santo, P. Blay2003, Astronomy & Astrophysics, 411, L179.The INTEGRAL/IBIS Scientific Data AnalysisA. Goldwurm, P. David, L. Foschini, A. Gros, P. Laurent, A. Sauvageon, A. J. Bird, L. Lerusse & N. Produit 2003, Astronomy & Astrophysics, 411, L223 [6] The INTEGRAL/IBIS Scientific Data AnalysisA. Goldwurm, P. David, L. Foschini, A. Gros, P. Laurent, A. Sauvageon, A. J. Bird, L. Lerusse & N. Produit 2003, Astronomy & Astrophysics, 411, L223 Service d'Astrophysique 2001-2003