관측데이터의 활용

VLBI(초장기선 전파간섭계) 및 기타 전파 관측에서 수집된 데이터를 활용하기 위해서는 상관처리 전처리와 후처리 공정으로 구분할 수 있습니다.

상관처리 전처리 (Pre-correlation):

• 데이터 수집 및 저장: 전파망원경이 원시 데이터를 수집하여 고속 데이터 기록 장치에 저장합니다. 이 데이터는 각 망원경의 로컬 시간에 기반하여 기록되며, 대개 초당 수 기가비트의 속도로 저장됩니다.
• 시간 동기화: 각 전파망원경에서 수집된 데이터는 GPS 또는 원자시계를 이용하여 정확히 동기화됩니다. 이는 상관처리 시 시간 차이를 보정하여 데이터를 일관되게 결합할 수 있도록 합니다.
• 주파수 및 대역폭 설정: 관측에 사용된 주파수 대역과 대역폭이 상관처리기 설정에 맞게 조정됩니다. 이는 정확한 상관 처리를 위해 데이터의 주파수 정보가 일치해야 하기 때문입니다.
• 데이터 포맷 변환: 상관처리기에서 처리할 수 있는 표준 데이터 포맷으로 변환됩니다. VLBI 관측에서는 다양한 포맷이 사용되며, 예를 들어 FITS나 VDIF(VLBI Data Interchange Format)로 변환할 수 있습니다.

상관처리 후처리 (Post-correlation)

• 기본 상관 처리 결과 생성: 상관처리기는 각 망원경에서 수집된 데이터를 결합하여 기본 상관된 데이터 집합을 생성합니다. 이 데이터는 간섭 패턴의 형태로 제공됩니다.
• 데이터 보정 및 필터링: 상관처리 후 데이터에는 여전히 다양한 잡음 요소와 왜곡이 포함될 수 있습니다. 이를 보정하여 관측 데이터의 품질을 개선합니다. 주요 보정 작업에는 위상 및 진폭 보정, 주파수 왜곡 보정 등이 포함됩니다.
• 노이즈 제거 및 신호 강화: 신호 대 잡음비(SNR)를 높이기 위해 잡음을 제거하고 원하는 신호를 강화하는 후처리 과정을 거칩니다. 이 과정은 관측 신호를 보다 명확하게 만들고 분석 가능하도록 돕습니다.
• 데이터 포맷 변환 및 저장: 최종 분석을 위해 데이터를 표준 형식(예: FITS 파일)으로 변환하고 저장합니다. 이를 통해 연구자들이 다양한 분석 도구를 사용하여 데이터를 처리할 수 있습니다.
• 이미지 생성 및 시각화: 후처리된 데이터는 천체 이미지로 변환될 수 있으며, 이를 통해 관측 대상의 구조와 특성을 시각적으로 분석할 수 있습니다. 고해상도 이미지 생성은 전파천문학 연구의 중요한 목표 중 하나입니다.
• 추가 분석 준비: 후처리된 데이터는 추가적인 과학적 분석이나 연구에 사용됩니다. 연구자들은 이를 기반으로 천체의 특성, 운동 상태, 화학적 구성 등을 연구합니다.

상관처리

상관처리는 서로 다른 망원경에 도달하는 전파신호(빛)가 가상의 전파망원경의 초점(Focus)에 모일 수 있도록, 각 망원경에 도달하는 천체의 전파신호의 "시간지연에 따른 위상차이"을 측정하고, 이를 보정하여, 하나의 데이터로 합성하는 과정

다양한 위치의 데이터 결합: VLBI는 지구의 서로 다른 위치에 있는 여러 전파망원경이 동시에 같은 천체를 관측하여 데이터를 수집하는 방식입니다. 각 망원경이 수집한 데이터는 시간 차이와 위치 차이로 인해 서로 상이할 수 있습니다. 상관처리는 이러한 데이터를 결합하여 각 망원경의 시간차와 위치 차이를 보정하고, 이를 통해 하나의 일관된 관측 데이터를 만듭니다.

간섭 패턴 분석과 고해상도 이미지 생성: 각 전파망원경이 수집한 데이터를 상관처리기를 통해 결합하면, 망원경 간의 간섭 패턴이 분석되어 고해상도의 천체 이미지를 생성할 수 있습니다. 이 과정은 마치 망원경 사이의 거리만큼 큰 하나의 가상의 망원경을 사용하는 것과 같은 효과를 만들어냅니다. 간섭 패턴은 망원경 간 거리와 방향에 따라 달라집니다. 이 패턴은 해석을 통해 천체의 고해상도 이미지나 천문학적 특성을 분석할 수 있는 데이터로 변환됩니다.

위상 및 시간 동기화: 상관처리는 각 망원경의 데이터가 동일한 시간 축에서 결합될 수 있도록 정확한 위상 및 시간 동기화를 수행합니다. 이 작업은 데이터의 정확도를 높이고, 관측의 신뢰성을 보장합니다. 이를 위해 각 망원경에는 GPS나 원자시계와 같은 정밀한 시간 기준 장치가 사용됩니다.

노이즈 제거 및 신호 강화: 상관처리 과정에서는 관측 데이터에 포함된 불필요한 잡음이 제거되고, 원하는 신호가 강조됩니다. 이를 통해 관측된 데이터의 품질이 향상되고, 분석에 유용한 정보를 도출할 수 있습니다.

대규모 데이터 처리: VLBI 관측에서 수집되는 데이터는 매우 방대합니다. 상관처리는 이러한 데이터를 효율적으로 처리하고 결합할 수 있는 고성능 처리 장치를 필요로 하며, 이를 통해 연구자들이 다루기 쉬운 형태의 결과 데이터를 생성합니다.

관측데이터의 규모

1. 데이터 수집 속도: 각 전파망원경은 관측 시 초당 기가비트(Gbps) 단위의 데이터를 생성합니다. 예를 들어, 최신 VLBI 시스템에서는 일반적으로 각 망원경이 1 Gbps에서 최대 64 Gbps 이상의 데이터 전송 속도로 작동할 수 있습니다.

2. 총 데이터 양: 전파망원경 네트워크가 여러 시간 동안 관측을 지속할 경우, 상관처리기에 입력되는 데이터는 수 테라바이트(TB)에서 수십 페타바이트(PB)에 이를 수 있습니다. 관측의 시간과 망원경의 수가 증가할수록 데이터 양은 기하급수적으로 늘어납니다.

3. 복수의 망원경 사용: VLBI 시스템은 여러 대의 망원경을 동시에 사용하여 관측하므로, 각 망원경이 생성한 데이터가 모두 결합됩니다. 예를 들어, 10개의 망원경이 각각 초당 1 Gbps 속도로 데이터를 생성하는 경우, 상관처리기에는 초당 10 Gbps의 데이터가 입력됩니다.

4. 관측 기간: 천문학적 현상에 따라 관측 시간이 몇 시간에서 며칠에 이를 수 있습니다. 이런 장시간의 관측으로 인해 총 데이터 양은 수백 TB에서 PB 단위까지 커질 수 있습니다.

5. 처리 복잡성: 이렇게 수집된 대규모 데이터는 상관처리기에서 결합 및 분석해야 하며, 이는 고성능 컴퓨팅 자원을 필요로 합니다. 상관처리 과정은 각 데이터 스트림의 시간차와 위상차를 정확히 보정하여 일관된 데이터를 생성해야 하므로, 방대한 연산량이 요구됩니다.

VLBI 상관처리 데이터는 매우 대규모이며, 천문학적 연구에서 다루어지는 데이터 중 가장 큰 규모에 속합니다. 다음은 데이터 규모에 대한 주요 특징입니다.

상관처리 방법

한국천문연구원(KASI)은 전파천문학 연구에서 수집된 대규모 데이터를 효율적으로 처리하기 위해 하드웨어 상관기와 소프트웨어 상관기를 모두 활용합니다.

하드웨어 상관기: KASI는 일본국립천문대(NAOJ)와 공동으로 세계 최고 속도의 VLBI 상관처리 장치인 한일공동VLBI상관기(KJJVC)를 개발하여 한일상관센터에 설치하였습니다. 이 장치는 최대 16개의 전파망원경으로부터 초당 1기가바이트의 관측 데이터를 처리할 수 있으며, 동아시아 지역의 천문학 및 측지학 분야의 VLBI 관측 연구에서 중심 허브 역할을 담당합니다.

소프트웨어 상관기: KASI는 DiFX 소프트웨어 상관기를 운영하여, 고성능 컴퓨터 클러스터에서 다양한 관측 데이터를 처리합니다. 이 소프트웨어는 오스트레일리아의 Deller 등이 개발한 분산처리 소프트웨어로, 중국 및 유럽의 전파망원경도 참여하는 국제 공동 관측이 활성화되면서 EAVN 관측 자료 등 상관 처리 범위가 확대되고 있습니다.

한일상관센터

한일상관센터(Korea-Japan Correlation Center, KJCC)는 한국천문연구원과 일본국립천문대가 공동으로 운영하는 우주전파관측 자료 처리 시설입니다.

VLBI 관측 데이터 처리: 여러 대의 전파망원경을 연결하여 관측하는 초장기선 전파간섭계(VLBI) 시스템의 핵심 장비인 한일공동VLBI상관기(KJJVC)를 통해, 최대 16개의 전파망원경으로부터 초당 1기가바이트의 관측 데이터를 처리합니다. 이를 통해 고해상도의 천체 이미지를 생성하고, 우주 전파 관측 연구에 활용합니다.

동아시아 우주전파관측 연구 허브 역할: 한일상관센터는 한국과 일본은 물론, 동아시아 지역의 천문학 및 측성학 분야에서 우주전파 관측 연구의 중심 허브로 기능합니다. 이를 통해 국제 공동 연구와 협력을 촉진하며, 동아시아 우주전파관측망(EAVN)의 관측 자료 처리에도 기여합니다.

관측 장비 개발 및 운영: 한국과 일본이 공동으로 개발한 세계 최고 속도의 VLBI 상관처리 장비를 설치하여, 관측 장비의 성능 향상과 효율적인 운영을 지원합니다. 이를 통해 관측 데이터의 품질을 높이고, 연구자들에게 신뢰성 있는 데이터를 제공합니다.

국제 협력 및 공동 연구 지원: 한일상관센터는 한국우주전파관측망(KVN)과 일본의 VERA 관측망, 그리고 중국의 VLBI 관측망(CVN) 등과의 공동 관측 연구를 통해, 직경 수천 킬로미터에 이르는 전파망원경 성능을 구현합니다. 이를 통해 국제적인 협력과 공동 연구를 지원하며, 우주 전파 관측 분야의 발전에 기여합니다.

데이터 분석

AIPS(천문 데이터 처리 프로그램)은 천문학 연구에서 전파 관측 데이터를 분석하고 처리하는 데 사용되는 소프트웨어입니다. AIPS는 다음과 같은 주요 역할을 합니다:

1. 데이터 보정: AIPS는 전파 관측 데이터의 보정 작업을 수행합니다. 관측 중에 발생할 수 있는 대기 왜곡, 안테나 성능 변화, 지구 자전 등 다양한 요인을 보정하여 정확한 데이터를 제공합니다.
2. 데이터 처리 및 상관 처리 후 분석: VLBI(초장기선 전파간섭계)와 같은 관측 방식에서 수집된 상관 처리 데이터를 AIPS를 사용하여 분석할 수 있습니다. 이 소프트웨어는 다양한 형식의 관측 데이터를 받아들여 분석할 수 있도록 설계되었습니다.
3. 영상 생성: AIPS는 수집된 전파 데이터를 기반으로 천체의 고해상도 이미지를 생성할 수 있습니다. 이 과정은 전파 간섭 패턴을 해석하여 망원경 관측 데이터를 시각적으로 표현하는 것을 포함합니다.
4. 스펙트럼 분석: AIPS는 주파수 대역에 따른 스펙트럼 데이터를 분석하는 기능을 제공합니다. 이를 통해 천체의 물리적 특성, 화학 성분, 운동 상태 등을 연구할 수 있습니다.
5. 위상 및 진폭 보정: AIPS는 관측 시 발생하는 위상 및 진폭의 불균형을 조정하는 기능을 제공합니다. 이를 통해 관측의 정밀도를 높이고, 간섭계로 수집된 데이터의 품질을 개선할 수 있습니다.
6. 천문학 연구 지원: AIPS는 천문학자들이 전파 관측 데이터를 효율적으로 다룰 수 있도록 도와주며, 데이터 처리 과정에서 필요한 다양한 도구와 기능을 제공합니다. 이를 통해 연구자들이 다양한 천문학적 질문에 대한 해답을 찾는 데 기여합니다.

데이터 리덕션

관측 자료의 데이터 리덕션(data reduction)은 천문학 관측 과정에서 수집된 원시 데이터를 분석 가능한 형태로 변환하기 위해 수행되는 데이터 처리 과정입니다. 이 과정은 원시 데이터에 포함된 불필요한 요소를 제거하고, 과학적 분석에 적합한 형태로 정제하는 것을 목표로 합니다.

1. 데이터 보정(Calibration)

• 위상 보정: 관측 중 발생하는 위상 왜곡을 보정하여 천체의 신호를 명확하게 만듭니다.
• 진폭 보정: 각 전파망원경의 감도 차이와 잡음에 의해 발생하는 진폭 왜곡을 보정하여 데이터의 균일성을 유지합니다.
• 주파수 보정: 수집된 데이터의 주파수 축을 보정하여 정확한 스펙트럼 분석을 가능하게 합니다.

2. 노이즈 제거: 관측 자료에는 기기 잡음, 대기 왜곡, 전자기 간섭 등 다양한 노이즈가 포함될 수 있습니다. 데이터 리덕션 과정에서는 이러한 잡음을 제거하여 신호 대 잡음비(SNR)를 높이고 관측 대상의 신호를 명확히 합니다.

3. 데이터 정렬 및 동기화: 여러 전파망원경에서 동시에 수집된 데이터를 동기화하여 일관성 있는 데이터 세트를 만듭니다. 이는 특히 VLBI와 같은 다중 망원경 관측에서 중요한 과정입니다.

4. 배경 신호 제거: 우주에서 수신된 신호 중에서 불필요한 배경 방출(예: 은하계 배경복사 등)을 제거하여 관측 대상의 신호를 분리합니다.

5. 이미지 및 스펙트럼 생성: 데이터 리덕션 후 정제된 데이터를 기반으로 천체의 고해상도 이미지를 생성하거나 스펙트럼 분석을 수행합니다. 이를 통해 천체의 물리적 특성, 화학 성분, 운동 상태 등을 연구할 수 있습니다.

6. 데이터 변환 및 형식화: 최종 분석을 위해 데이터를 다양한 포맷(예: FITS 파일 형식)으로 변환하고, 후속 분석 프로그램이나 시각화 도구에서 사용할 수 있도록 준비합니다.

데이터 리덕션은 천문학 연구에서 필수적인 과정으로, 원시 데이터를 과학적 분석이 가능한 수준으로 정제함으로써 연구자들이 신뢰할 수 있는 관측 결과를 얻을 수 있게 합니다. 이를 통해 천체의 구조, 성분, 동역학 등에 대한 보다 깊이 있는 연구가 가능해집니다.

FITS(Flexible Image Transport System) 파일

천문학에서 널리 사용되는 데이터 형식으로, 관측 자료를 저장하고 교환하는 표준 파일 포맷입니다. FITS 파일 생성 과정은 원시 데이터를 수집하고, 이를 적절하게 처리 및 변환하여 최종적으로 파일로 저장하는 일련의 단계를 포함합니다. FITS 파일 생성 과정은 데이터를 저장할 뿐만 아니라, 해당 데이터를 분석하고 재사용할 수 있도록 완전한 정보를 제공하는 것이 중요합니다.

데이터 수집: 전파망원경 또는 다른 관측 장비가 원시 데이터를 수집합니다. 이 데이터는 관측 대상에 대한 원시 전파 신호, 이미지, 스펙트럼 등의 다양한 형태로 존재할 수 있습니다.

데이터 리덕션 및 보정:

• 데이터 보정: 원시 데이터에 포함된 위상, 진폭, 주파수 보정 작업이 수행됩니다.
• 노이즈 제거: 데이터에 포함된 잡음 및 불필요한 신호를 제거하여 순수한 천체 신호만 남도록 처리합니다.

데이터 변환

• 데이터 형식화: 처리된 데이터를 FITS 형식에 맞게 변환합니다. FITS는 이미지 데이터, 다차원 배열, 스펙트럼 등 다양한 데이터 유형을 지원합니다.
• 헤더 작성: FITS 파일의 헤더에는 관측 정보(예: 관측 날짜, 장비, 주파수, 관측 조건 등)와 메타데이터가 포함됩니다. 이 단계는 데이터의 분석 및 해석을 위해 필수적입니다.

데이터 저장

• 데이터 저장: 처리된 데이터와 헤더 정보를 합쳐 하나의 FITS 파일로 저장합니다. 이때 데이터 블록은 FITS 표준에 맞춰 바이너리 형식으로 기록됩니다.
• 다중 확장 지원: FITS 파일은 하나의 파일 내에 여러 데이터 확장을 지원하므로, 다차원 데이터나 복수의 관측 자료를 한 번에 저장할 수 있습니다.

검증 및 확인

• 파일 검증: 생성된 FITS 파일의 형식과 내용이 표준 규격에 맞는지 확인합니다. 이를 위해 천문학 소프트웨어(예: DS9, FITS Liberator 등)를 사용하여 데이터를 시각적으로 확인할 수 있습니다.
• 파일 설명 및 문서화: 파일 생성 과정과 데이터의 특성을 문서화하여 다른 연구자들이 데이터의 출처와 처리 과정을 이해할 수 있도록 합니다.

데이터 분석 준비: 생성된 FITS 파일은 천문학 소프트웨어 및 데이터 분석 도구에서 열어 후속 분석을 수행할 수 있습니다. 이 파일은 천체 이미지 시각화, 스펙트럼 분석, 기타 과학적 연구에 사용됩니다.

KVN archive에서 제공하는 데이터의 종류와 이미

한국우주전파관측망(KVN) 아카이브에서 제공하는 데이터는 KVN은 VLBI(초장기선 전파간섭계) 관측을 통해 생성된 고해상도의 다양한 데이터를 제공합니다.

원시 관측 데이터(Raw Observation Data):

• 설명: 전파망원경이 관측한 원시 데이터로, 상관처리되기 전의 상태입니다. 이 데이터는 아직 보정이나 필터링이 되지 않은 형태이며, 연구자가 직접 데이터 보정과 후처리 과정을 수행할 수 있습니다.
• 포맷: VDIF, FITS 등 다양한 포맷으로 제공될 수 있습니다.

상관처리된 데이터(Correlated Data)

• 설명: 상관처리 과정을 거쳐 여러 전파망원경에서 수집된 데이터가 결합된 형태입니다. 이 데이터는 간섭 패턴이 결합되어 있으며, 고해상도 분석에 적합합니다.
• 포맷: FITS 형식으로 제공되며, 관측한 주파수 대역에 따라 다양한 스펙트럼 정보를 포함합니다.

이미지 데이터(Image Data)

• 설명: 상관처리 후 후처리를 거쳐 생성된 천체의 고해상도 이미지입니다. 이 이미지는 천체의 구조와 특성을 시각적으로 분석할 수 있도록 합니다.
• 포맷: FITS 파일을 통해 제공되며, 다양한 천문 소프트웨어에서 열어볼 수 있습니다.(예시: 블랙홀, 펄서, 성간 매질 등의 관측 이미지)

스펙트럼 데이터(Spectrum Data)

• 설명: 천체에서 방출된 전파의 스펙트럼 분석 결과를 포함하는 데이터입니다. 이를 통해 연구자들은 천체의 화학적 성분, 물리적 상태, 운동 특성을 분석할 수 있습니다.
• 포맷: 일반적으로 ASCII나 FITS 형식으로 제공되며, 주파수 대역별 신호 강도를 포함합니다.

메타데이터(Metadata)

• 설명: 관측과 관련된 부가 정보로, 관측 시간, 위치, 주파수 설정, 망원경의 상태 등의 정보를 포함합니다. 메타데이터는 데이터를 분석할 때 중요한 맥락을 제공합니다.
• 포맷: 텍스트 파일이나 XML, JSON 형식으로 제공될 수 있습니다.

데이터 사용: 연구자들은 KVN 아카이브에서 제공되는 데이터를 다운로드하여 분석 소프트웨어를 사용해 천체의 물리적 특성을 연구하거나, 고해상도 이미지를 생성하여 우주의 다양한 현상을 탐구할 수 있습니다.

KVN 아카이브와 상관처리 데이터 활용

관측PI에게 우선 배포되어 연구에 활용됩니다. 상관처리 데이터가 배포기준일로 18개월이 경과되면 한국천문연구원의 천문데이터포털(data.kasi.re.kr)을 통해 표준적인 FITS-IDI 형식으로 완전히 공개되어 누구나 자유롭게 연구에 활용할 수 있다.