最新情報技術を活用した超大規模天文データ解析機構の研究開発
研究代表者

大石 雅寿

国立天文台・天文データセンター・准教授

研究分担者

水本 好彦

国立天文台・光赤外研究部・教授

白崎 裕治

国立天文台・天文データセンター・助教

大江 将史

国立天文台・天文データセンター・助教

高田 唯史

国立天文台・天文データセンター・准教授

研究協力者

安田 直樹

東京大学・宇宙線研究所・准教授

田中 昌宏

国立天文台・天文データセンター・研究員

研究目的の概要
国立天文台のすばる望遠鏡を始めとして，世界では， など次々と  級大型望遠鏡が稼働を始め，観測データを大量に産出する時代を迎えた。衛星による観測データも合算すると，天文学研究に利用できる観測データは数値データとして年間

 の規模で増大する。これらの様々な波長のデータを同時解析することによって，現代天文学に残された多くの謎
宇宙における生命誕生の解明など

宇宙の暗黒物質の解明，宇宙ひもの存在の検証，が解明されると期待されている。しかし，従来の手作業を主体としたデータ解析手法に基づく研究ではこの膨大なデータを迅速に処理することは極めて困難であり，現代天文学の謎の解明に至るとは到底考えられず，高性能な計算機資源を活用した新たな情報処理技術を天文学に導入することが必須である。

  に及ぶ膨大な量の観測データを解析して，口径  の  望遠
鏡や ， といった欧米の  クラス望遠鏡との激しい国際競争の中で現在天文学に残された謎をすばる望遠鏡が毎年算出する

世界に先駆けて解明するためには、我々がこれまで野辺山にある電波望遠鏡やすばる望遠鏡で培ってきたデータ解析技術を や  を始めとする技術を駆使することにより高度化した分散データ処理システ

ムとして発展させ，かつ，大量観測データの供給源となるデータアーカイブシステムに合体させたサイエ
ンス・アーカイブシステムとして再構築することがカギとなる。
これらの科学的要求を実現するため，我々は近年発展が著しい情報学の研究成果と大量観測データを生み   ! "# の構築を進めてきた。 は国
内にとどまらず世界中に分散している天文データアーカイブ・データベース " # やデータ解析機能をを連出す最新の望遠鏡技術の融合として携させ，いつでもどこからでも天文学を推進することが可能な研究基盤を構築することを目的としている。



ヴァーチャル天文台とは
天文データアーカイブが世界の主要天文台等で構築されているにも関わらずその活用のための環境が整っていたとは言い難かった。一般的に天体は多波長で放射をしているため，各種天体現象の本質を知るためには多波長データの活用が必要であることも周知の事実であった。一方，$$ 年代後半からの情報通信技術の急激な発展により，高速ネットワーク環境が容易に利用できたり高機能な計算機が安価に購入できるようになった。これらの情報通信技術を利用すれば世界中の天文アーカイブを連携し研究に必要な観測データを容易に収集し解析することが可能になるだろうという自然な発想が世界各地で独立に沸き上がった。これがヴァーチャル天文台"  !）構想であり，その構築にあたっては世界の主要国が協力し% &。

て相互の資源を活用するための標準を定めてきた

これらの標準化活動の結果，にあるリソースが'

年' 月現在， (を越える日米欧の主要な天文台やデータセンター インターフェースを通じて相互に接続されている。

ローカルグリッド環境の構築 では世界の天文台などが保持する天文データをシームレスにアクセス・取得することが可能となった。本研究開発の目的の一つである分散している天文データアーカイブ・データベース " # やデータ解析
機能をを連携させ，いつでもどこからでも天文学を推進することが可能な研究基盤を構築するためには，取得したデータを解析し，様々な天体現象の理解に繋げる環境を整える必要がある。
天文学におけるデータ解析では，当然ながら，様々なソフトウエアパッケージ（例：光赤外観測データ解
析のための)*，電波天文観測データを解析する )+,）をはじめ，世界各地で開発されたソフトウエア

を利用することが想定される。そこで，遠隔地に存在するデータ解析ソフトウエアとの連携に向け，ローカ
ル環境にある複数サーバをシームレスに連携しデータ解析処理を進める環境を試験構築した。

図- すばる望遠鏡によって取得した天体画像の自動モザイク処理

そのユースケースとして，国立天文台ハワイにあるすばる望遠鏡に設置された大型カメラである,.

)/ により取得された  画像の自動処理を選んだ。,)/ は 枚の  チップから構成される。 チップの間には隙間があり，観測時には隙間を埋めるようにカメラを移動させながら何枚も画像を取得し，観測後に  チップ内の感度ムラの補正 "0# や暗電流の補正 "#，また望遠鏡の光学系特性による画像歪みの補正 "1  # や画像内の天体位置測定 " !# を行った後，位置合わせをしながら画像のつなぎ合わせ（モザイク）処理や重ね合わせをすることになる。従来はこれらの処理は各観測者が自分自身で行っていたが，ヴァーチャル天文台を経由して,)/ データを活用したいという要望は強く，この処理を誰でも利用できるようにすることで天文学コミュニティの要請に応えられるものと考えた。
図 に，国立天文台三鷹キャンパス内のローカル環境に構築したシステムのフローを示す。本システムで2 回の観測で取得した画像（各  毎に 枚の画像が得られるので総計 2 枚の画像，データ量は '32!）を，それぞれの観測毎に，0，，1  ， ! の処理を複は，図の例で言えば，

数サーバで並列に処理し，得られた処理済み画像を集積した後に位置合わせをしながら重ね合わせやモザ
イク処理を行う。この例では全ての処理を終えるのに数時間を要するが，利用者は

 ポータルに用意されたインターフェースにおいて処理したいデータを指定するだけであり，ジョブを投入した後はオフラインで処理終了を待っていれば良い。そして得られたモザイク済み画像を， が提供する画像ビューワーで見ることになる。



グリッドミドルウエアによる他研究機関との連携試験
前章に述べた成果を踏まえ，次のステップとして国立天文台以外の研究機関との連携試験を実施した。解析ソフトウエアを遠隔サーバで実施するための環境として，国立情報学研究所が中心になって開発したグ

4)  を試用することとした。連携試験のパートナーとしては，これまでにも共同研究等を行ってきた相手である高エネルギー加速器研究機構 "# にお願いし，両研究機関に
4)  ミドルウエアバージョン '  をインストールし，前章に示したデータ処理を両研究機関のサーバで実施した。図 ' に，その連携環境を示す。
リッドミドルウエアである

図0，，1  ， ! などを行う天文データ解析プログラム（エ4)  +,"+ 6 , 6  # 上で動作させるための基本機構を構築し，そのこの連携環境において，ンジン）を'- 国立天文台5 間のグリッド連携環境

実行制御のために，これらの天文データ解析エンジン等を4)  7 80 9   で利用した。データ）のサーバ上に解析プログラムのソースコード
1*+ 転送し， のサーバ上でコンパイル処理・登録処理をしなければならない。国立天文台と
 はいずれも ,4 のノードとなっているため，プログラム転送を含めてもコンパイル等に必要な経解析プログラムを実行するためには，相手方（今回はを

過時間はローカルに実行する場合と大差がないことが分かった。

4)  の , ,:;1 ",,# を通じてジョブを実行する場合には，国立天文台の計算資源と一方，

 の計算資源を利用する場合で，経過時間に大きな差が生じることが分かった。例えば，国立天文台の計算資源にジョブを投入する時には  秒でジョブが開始するのに対し， にジョブを投入する場合には  分 '2 秒かかるという例があった。これは，,, がジョブを実行するまでに多くのパケットのやり取りを行っており，通信負荷が相当大きいことが考えられる。しかし，すばる望遠鏡による大量画像処理など

+< を多く利用するジョブの場合は，相対的に通信負荷の割合が小さくなるので，実際上は大きな問題にはならないと考えられる。

 から国立天文台の計算資源を利用する高エネルギー物理用の処理プログラ+4 を介さない本当に意味でのグリッド環境が 4)  ミドルウエアにより試験

この連携試験環境では，
ムも実行されており，構築できた意義は大きいと考えられる。

 ポータルの公開状況 ポータルを通じて世界の天文データへのアクセス機能を ' 年度の直前より公開を始めた。その< は ;-==> 3 3:3>= = である。公開開始以降のポータルへのアクセス状況を見ながらより良い機能を研究開発できるよう，そのアクセスログを取る機能を盛り込んである。図  はその機能を用いて作成した本報告書執筆直前までのアクセスログを示す。

図

- '

年

月までの

 へのアクセス状況 のデータサービスシステムを正式に公開したのは '年 月末であるが，実際には ' 年前より試験公開という位置づけでシステムは関係者には公開されていた。このためアクセスログは' ( 年当初から

 の縦軸は，対数スケールになっていることに注意していただきたい。
 のログ機能では， を経由して他のデータサーバにデータ請求を出した場合のダウンロード量などは分からない。これは，国際ヴァーチャル天文台連合 ")# のデータアクセスプロトコルは，そのデー取っている。図

タサーバに対してデータ請求をするからであり，各天文台のヴァーチャル天文台システムは，利用者の要求を満たすためにはどこにアクセスするべきかを水面下で調査し，利用者が知らないうちにその利用要求を必要サーバに転送してしまうからである。従って，このログは，

 が直接管理するデータサービスに対する要求だけを記録している。

'

 システムに対する要求ページ数（左軸）やダウンロードされたデータ
5' 桁増加したことが明確に分かる。正式公開以降は，夏休み中にアクセスが低下したものの夏の終わりと共にアクセス量が増えている。ダウンロードされたデータ量は 月当たり最大 ! に
年 月の正式公開時に，量（右軸）がも及び，ネットワークを通して天文観測データを様々に活用したいという要請に大きく応えることができた
ことが理解される。

図?-  へのアクセスの分類? に示すように，すばる望遠鏡によるデータへのアクセスが約 ? @，他の  管理のデータに対する検索要求が約  @ となっている。現在  には，利用頻度が高いと思われる大規模カタログ ",,, や '/),, 等# を登録しており，
さらに，どのデータに対するアクセスが多いのかをログから調査してみると，図情報技術を活用した大規模データへの容易なアクセスを実現したことにより，国内のみならず海外の天文研究者などの利便性を大きく向上できたことが分かる。

今後の展望
今後は，下記の観点を持って， システムの機能向上のための研究開発を実施し，情報技術によって様々な科学分野においてその研究基盤が飛躍的に向上できることを示してゆきたい。

¯ より大規模なデータをより高速に検索するための，並列検索システムの研究開発¯ そのようにして得られた天文データをより高速にデータ処理するための遠隔並列処理システム¯ 言うまでもないことであるが，検索可能なデータを増やすための，)A)=,), をはじめとする国内外の研究機関との連携強化

参考文献% & 大石雅寿 他- B最新情報技術を活用した超大規模天文データ解析機構の研究開発CD 平成域研究「情報爆発」成果報告書D ' (3年度特定領研究成果リスト
著書、論文

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D' 3
告会 '

 3 井上 一D 小山 勝二D 高橋 忠幸D 水本 好彦- B宇宙の観測 "# 高エネルギー天文学CD シリーズ現代の天文学D 日本評論社D '3
招待講演

3 ;; /3- B)  :    ; 6;       "招待講演#CD*G! F G  FD ' 3'3 ;; /3- B<)* :  ;   : :  <  "<# "招待講演#CD' <,  )!D ' 3
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