[論文レビュー] GammaLib and ctools: A software framework for the analysis of astronomical gamma-ray data

J. Knödlseder, M. Mayer+17 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Jun 1, 2016

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 11被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、天文学的ガンマ線データの科学的解析を目的としたオープンソースで拡張可能なソフトウェアフレームワーク、GammaLib および ctools を提示する。C++ コアに構築され、Python バインディングを備える GammaLib は、柔軟で高水準のデータ操作を可能にし、ctools は、特にイメージング・エア・チェレノコフ望遠鏡（IACT）データを対象とした、コマンドラインおよび Python からアクセス可能なモジュラーなツールセットを提供する。Fermi-LAT や COMPTEL データの解析も対応している。このフレームワークは、チェレノコフ望遠鏡アレイ（CTA）の標準科学ツールとして提案されている。

ABSTRACT

The field of gamma-ray astronomy has seen important progress during the last decade, yet there exists so far no common software framework for the scientific analysis of gamma-ray telescope data. We propose to fill this gap by means of the GammaLib software, a generic library that we have developed to support the analysis of gamma-ray event data. GammaLib has been written in C++ and all functionality is available in Python through an extension module. On top of this framework we have developed the ctools software package, a suite of software tools that enables building of flexible workflows for the analysis of Imaging Air Cherenkov Telescope event data. The ctools are inspired by science analysis software available for existing high-energy astronomy instruments, and they follow the modular ftools model developed by the High Energy Astrophysics Science Archive Research Center. The ctools have been written in Python and C++, and can be either used from the command line, via shell scripts, or directly from Python. In this paper we present the GammaLib and ctools software versions 1.0 that have been released end of 2015. GammaLib and ctools are ready for the science analysis of Imaging Air Cherenkov Telescope event data, and also support the analysis of Fermi-LAT data and the exploitation of the COMPTEL legacy data archive. We propose to use ctools as the Science Tools software for the Cherenkov Telescope Array Observatory.

研究の動機と目的

• 多様な機器間で共通のソフトウェアフレームワークが欠如している問題に対処する。
• ガンマ線イベントリストの高水準処理を標準化するための汎用的で拡張可能なライブラリ（GammaLib）を開発する。
• HEASARC の ftools を模倣したモジュラーなツールスイート（ctools）を構築し、IACT データ解析のための柔軟で再現可能なワークフローを可能にする。
• バーチャルオブザーバトリ標準および将来の CTA 科学ツール要件との相互運用性を確保する。
• Fermi-LAT や COMPTEL のレガシーデータと将来の CTA データを統合的に分析できるようにする。

提案手法

• GammaLib を C++ ライブラリとして実装し、Python バインディングを備えることで、Python でもすべての機能を公開し、高水準のデータ操作およびモデル評価を可能にする。
• ftools のモデルに従い、コマンドラインおよび Python からアクセス可能なツールスイートとして ctools を設計し、モジュラーで再利用可能なデータ解析パイプラインを可能にする。
• FITS 形式に OGIP の規約を適用し、機器間で一貫性があり標準化されたデータ入出力を実現する。
• アンビンダおよびスタックド（バッキング）の最尤解析手法を実装し、内部での応答キャッシュを導入してパフォーマンスを最適化する。
• 特にラジアルおよび楕円型源モデルにおいて解析的勾配が存在しない場合の数値微分を実装する。
• Git、Redmine、Jenkins、SonarQube を用いた継続的インテグレーションおよびテストにより、クロスプラットフォーム互換性とコード品質を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多様な機器間でガンマ線イベントデータの科学的解析を支援する統一的で拡張可能なソフトウェアフレームワークをどのように設計できるか？
• RQ2 特に複雑な空間モデルを対象とした場合、IACT データにおけるアンビンダ解析とスタックド解析の間でパフォーマンスのトレードオフはどのようなものか？
• RQ3 最尤解析において、ラジアルおよび楕円型空間モデルの計算コストを最小限に抑えるにはどうすればよいか？
• RQ4 GammaLib および ctools が、レガシーデータ（例：COMPTEL）および将来の CTA データを標準化され、相互運用可能にサポートできる範囲はどの程度か？
• RQ5 共通のソフトウェアスタックは、ガンマ線天文学の共同研究における開発および保守のオーバーヘッドを低減できるか？

主な発見

• GammaLib および ctools はバージョン 1.0 としてリリースされ、IACT、Fermi-LAT、COMPTEL データの科学的解析を完全に Python および C++ 組み込みでサポートする。
• 観測時間数時間以上ではスタックド解析がアンビンダ解析よりも高速であり、ほとんどのモデルで1時間未満の処理時間（ラジアルディスクモデルでは最短5分）を達成する。
• ラジアルまたは楕円型空間モデルのフィットは、点源よりも著しく遅くなる。これは数値微分と応答キャッシュの欠如によるもので、楕円ガウス源は最も計算コストが高くなる。
• ctools 内部の応答キャッシュ機構により、拡散モデルおよび点源に対してパフォーマンスが向上し、1イベントまたはエネルギーチャンクあたり応答を1回だけ評価する。
• モジュラーなツールにより、効率的で再現可能なワークフローが可能となり、今後の拡張で開口部光度測定、オンオフフィッティング、源同定が可能になる。
• ソフトウェアは CTA 用に生産環境対応であり、既存の IACT コラボレーションでも採用が進んでおり、GitLab および Redmine を通じた活発な開発とコミュニティ貢献が継続されている。