[논문 리뷰] GammaLib and ctools: A software framework for the analysis of astronomical gamma-ray data

J. Knödlseder, M. Mayer외 17명|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|2016. 06. 01.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 11인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 천문학적 감마선 데이터 과학적 분석을 위한 오픈소스이고 확장 가능한 소프트웨어 프레임워크인 GammaLib와 ctools를 제안한다. C++ 코어를 기반으로 하며 파이썬 바인딩을 제공하는 GammaLib는 고수준의 유연한 데이터 처리를 가능하게 하며, ctools는 명령행 및 파이썬 인터페이스를 통해 이벤트 데이터 분석을 위한 모듈식 도구 세트를 제공한다—특히 이미징 에어 체렌코프 망원경(IACT) 데이터에 초점을 맞추며, 페르미-LAT 및 컴페틀( COMPTEL) 데이터도 지원한다. 이 프레임워크는 셰렌코프 망원경 어레이(CTA)의 표준 과학 도구로 제안된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다양한 기기 간 감마선 데이터 분석을 위한 공통 소프트웨어 프레임워크 부족 문제를 해결한다.
• 감마선 이벤트 리스트의 고수준 처리를 표준화하기 위한 일반적이고 확장 가능한 라이브러리(GammaLib)를 개발한다.
• HEASARC의 ftools를 영감으로 삼아, IACT 데이터 분석을 위한 유연하고 재현 가능한 워크플로우를 가능하게 하는 모듈식 도구 세트(ctools)를 구축한다.
• 가상 천문대 표준 및 향후 CTA 과학 도구 요구사항과의 상호운용성을 보장한다.
• 페르미-LAT 및 컴페틀 레거시 데이터와 향후 CTA 데이터를 통합하여 분석할 수 있도록 한다.

제안 방법

• 모든 功能을 파이썬에서 접근할 수 있도록 파이썬 바인딩을 제공하는 C++ 라이브러리로 GammaLib를 구현하여 고수준의 데이터 조작 및 모델 평가를 가능하게 한다.
• ftools 모델을 기반으로 하여 명령행 및 파이썬에서 접근 가능한 도구 세트로 ctools를 설계하여 모듈식이고 재사용 가능한 데이터 분석 파이프라인을 지원한다.
• 모든 기기 간 일관되고 표준화된 데이터 입력 및 출력을 위해 OGIP 규정을 준수하는 유연한 이미지 전송 시스템(FITS) 형식을 사용한다.
• 비버린(unscaled) 및 스택드(binned) 최대우도 분석 방법을 모두 구현하고, 성능 최적화를 위해 내부 응답 캐싱을 구현한다.
• 특히 원형 및 타원형 소스 모델과 같은 분석적 기울기가 없는 공간 모델의 수치 미분을 통합한다.
• 지속적 통합 및 테스팅을 위해 Git, Redmine, Jenkins, SonarQube를 활용하여 다중 플랫폼 호환성과 코드 품질을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 기기 간 감마선 이벤트 데이터 과학적 분석을 지원하는 통합적이고 확장 가능한 소프트웨어 프레임워크는 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 특히 복잡한 공간 모델에 대해 IACT 데이터의 비버린 및 스택드 최대우도 분석 간 성능 상충 관계는 어떠한가?
• RQ3 최대우도 분석에서 원형 또는 타원형 공간 모델을 피팅할 때 계산 비용을 어떻게 최소화할 수 있는가?
• RQ4 GammaLib와 ctools가 레거시 데이터(예: COMPTEL)와 향후 CTA 데이터를 표준화되고 상호운용 가능한 방식으로 얼마나 잘 지원할 수 있는가?
• RQ5 공통 소프트웨어 스택이 감마선 천문학 협력 프로젝트의 개발 및 유지보수 오버헤드를 줄일 수 있는가?

주요 결과

• GammaLib와 ctools는 IACT, 페르미-LAT, COMPTEL 데이터의 과학적 분석을 지원하며, 파이썬 및 C++ 통합이 완전히 구현된 1.0 버전으로 출시되었다.
• 관측 지속 시간이 수 시간 이상일 경우 스택드 분석이 비버린 분석보다 빠르며, 대부분의 모델에서 처리 시간이 한 시간 이내이며, 원형 디스크 모델의 경우 최소 5분까지 단축된다.
• 원형 또는 타원형 공간 모델의 피팅은 분석적 기울기가 없고 수치 도함수 계산이 필요하기 때문에 점원 모델보다 훨씬 느리며, 특히 타원형 가우시안 소스가 가장 계산 비용이 높다.
• ctools 내부의 응답 캐싱 메커니즘은 각 이벤트 또는 에너지 구간당 응답을 한 번만 평가하기 때문에, 확산 모델 및 점원 모델의 성능을 향상시킨다.
• 모듈식 도구를 통해 효율적이고 재현 가능한 워크플로우를 가능하게 하며, 향후 확장 기능으로는 광학적 조합 분광법, 온오프 피팅, 소스 식별 기능이 포함된다.
• 소프트웨어는 CTA용으로 이미 생산 준비가 되었으며, 기존 IACT 협력 프로젝트에서 채택되고 있으며, GitLab과 Redmine 통한 활발한 개발 및 커뮤니티 기여가 이루어지고 있다.