NASA’s <em>Roman Space Telescope</em> erhält kosmischen „Sneak Peek“ von Supercomputern

Diese Grafik hebt einen Teil einer neuen Simulation hervor, die zeigt, was das Nancy Grace Roman Space Telescope der NASA sehen könnte, wenn es bis Mai 2027 startet. Der Hintergrund erstreckt sich über etwa 0,11 Quadratgrad (etwa die Hälfte der vom Vollmond bedeckten Fläche), was weniger als die Hälfte des Gebiets darstellt, das Roman in einer einzigen Aufnahme sehen wird. Der Einsatz zoomt auf eine Region, die 300 Mal kleiner ist, und zeigt einen Streifen brillanter synthetischer Galaxien in voller Auflösung von Roman. Eine so realistische Simulation hilft Wissenschaftlern dabei, die Physik hinter kosmischen Bildern zu studieren – sowohl synthetische wie diese als auch zukünftige echte. Forscher werden die Beobachtungen für viele Arten von Wissenschaft nutzen, einschließlich der Überprüfung unseres Verständnisses des Ursprungs, der Evolution und des letztendlichen Schicksals des Universums. Credit: C. Hirata und K. Cao (OSU) und NASA’s Goddard Space Flight Center

Forscher am Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) haben fast 4 Millionen simulierte Bilder des Kosmos für das Nancy Grace Roman Space Telescope und das Vera C. Rubin Observatory erstellt.

Diese Simulation, Teil des OpenUniverse-Projekts, wurde mit Supercomputern erreicht und bietet eine äußerst genaue Vorschau darauf, wie diese Teleskope das Universum beobachten werden. Die Simulationen sind entscheidend für das Studium von Dunkler Materie und Dunkler Energie und helfen Wissenschaftlern, sich auf reale Beobachtungen vorzubereiten, die 2025 für Rubin und 2027 für Roman beginnen.

Wissenschaftler tauchen in ein synthetisches Universum ein, um uns dabei zu helfen, das echte besser zu verstehen. Mit Supercomputern am Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) in Illinois haben Wissenschaftler fast 4 Millionen simulierte Bilder erstellt, die das Universum so zeigen, wie es das Nancy Grace Roman Space Telescope der NASA und das Vera C. Rubin Observatory, das gemeinsam von der NSF (National Science Foundation) und dem DOE in Chile finanziert wird, sehen werden.

Das Roman Space Telescope ist ein NASA-Observatorium, das darauf ausgelegt ist, die Geheimnisse der Dunklen Energie und Dunklen Materie zu enträtseln, nach Exoplaneten zu suchen und sie zu fotografieren sowie viele Themen der Infrarot-Astrophysik zu erforschen. Credit: NASA

Michael Troxel, ein außerordentlicher Professor für Physik an der Duke University in Durham, North Carolina, leitete die Simulationskampagne als Teil eines umfassenderen Projekts namens OpenUniverse. Das Team veröffentlicht nun einen 10-Terabyte-Teil dieser Daten, wobei die restlichen 390 Terabytes im Herbst folgen werden, sobald sie verarbeitet sind.

„Mit Argonnes nun außer Betrieb genommenem Theta-Computer haben wir in etwa neun Tagen das erreicht, was auf Ihrem Laptop rund 300 Jahre gedauert hätte“, sagte Katrin Heitmann, eine Kosmologin und stellvertretende Direktorin der Abteilung Hochenergiephysik von Argonne, die die Supercomputer-Zeit des Projekts verwaltete. „Die Ergebnisse werden Romans und Rubins zukünftige Versuche prägen, Dunkle Materie und Dunkle Energie zu beleuchten, während sie anderen Wissenschaftlern eine Vorschau auf die Arten von Dingen bieten, die sie mit den Daten der Teleskope erkunden können.“

Ansicht des Rubin-Observatoriums bei Sonnenuntergang im Mai 2024 auf dem Cerro Pachón in Chile. Credit: Olivier Bonin/SLAC National Accelerator Laboratory

Zum ersten Mal wurde in dieser Simulation die Leistung der Instrumente der Teleskope berücksichtigt, was sie zur bisher genauesten Vorschau auf das Universum macht, wie Roman und Rubin es sehen werden, sobald sie mit den Beobachtungen beginnen. Rubin wird 2025 seine Operationen aufnehmen, und NASA’s Roman wird bis Mai 2027 starten.

Die Präzision der Simulation ist wichtig, da Wissenschaftler durch die zukünftigen Daten der Observatorien auf der Suche nach winzigen Merkmalen durchkämmen werden, die ihnen helfen werden, die größten Mysterien der Kosmologie zu enträtseln.

Roman und Rubin werden beide die Dunkle Energie erforschen – die mysteriöse Kraft, die die beschleunigte Expansion des Universums antreibt. Da sie eine bedeutende Rolle bei der Steuerung des Kosmos spielt, sind Wissenschaftler bestrebt, mehr über sie zu erfahren. Simulationen wie OpenUniverse helfen ihnen, die Signaturen zu verstehen, die jedes Instrument auf den Bildern hinterlässt, und Methoden zur Datenverarbeitung jetzt auszuarbeiten, damit sie zukünftige Daten richtig entschlüsseln können. Dann werden Wissenschaftler in der Lage sein, große Entdeckungen selbst aus schwachen Signalen zu machen.

„OpenUniverse ermöglicht es uns, unsere Erwartungen daran zu kalibrieren, was wir mit diesen Teleskopen entdecken können“, sagte Jim Chiang, ein Wissenschaftler am SLAC National Accelerator Laboratory des DOE in Menlo Park, Kalifornien, der half, die Simulationen zu erstellen. „Es gibt uns die Gelegenheit, unsere Verarbeitungspipelines zu üben, unsere Analysecodes besser zu verstehen und die Ergebnisse genau zu interpretieren, damit wir die realen Daten sofort nutzen können, sobald sie eintreffen.“

Dann werden sie weiterhin Simulationen nutzen, um die Physik und Instrumenteneffekte zu erforschen, die das reproduzieren könnten, was die Observatorien im Universum sehen.

Dieses Foto zeigt den nun außer Betrieb genommenen Theta-Supercomputer der Argonne Leadership Computing Facility. Wissenschaftler nutzen Supercomputer, um Experimente zu simulieren, die sie im wirklichen Leben nicht durchführen können, wie das Erschaffen neuer Universen von Grund auf. Credit: Argonne National Laboratory

Es brauchte ein großes und talentiertes Team aus mehreren Organisationen, um eine so immense Simulation durchzuführen.

„Nur wenige Menschen auf der Welt sind in der Lage, diese Simulationen durchzuführen“, sagte Alina Kiessling, Wissenschaftlerin am Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA in Südkalifornien und leitende Forscherin von OpenUniverse. „Dieses massive Unterfangen war nur dank der Zusammenarbeit zwischen dem DOE, Argonne, SLAC und der NASA möglich, die alle notwendigen Ressourcen und Experten zusammengebracht haben.“

Und das Projekt wird noch weiter an Fahrt gewinnen, sobald Roman und Rubin beginnen, das Universum zu beobachten.

„Wir werden die Beobachtungen nutzen, um unsere Simulationen noch genauer zu machen“, sagte Kiessling. „Dies wird uns ein besseres Verständnis der Evolution des Universums im Laufe der Zeit und der Kosmologie geben, die letztendlich das Universum geformt hat.“

Dieses Bildpaar zeigt denselben Himmelsbereich, wie er vom Vera C. Rubin Observatory (links, verarbeitet von der Legacy Survey of Space and Time Dark Energy Science Collaboration) und vom Nancy Grace Roman Space Telescope der NASA (rechts, verarbeitet vom Roman High-Latitude Imaging Survey Project Infrastructure Team) simuliert wurde. Roman wird tiefere und schärfere Bilder aus dem Weltraum aufnehmen, während Rubin ein breiteres Gebiet des Himmels vom Boden aus beobachten wird. Da Rubin durch die Erdatmosphäre blicken muss, werden die Bilder von Rubin nicht immer scharf genug sein, um mehrere nahe Quellen als separate Objekte zu unterscheiden. Sie werden miteinander verschwimmen, was die Wissenschaftler bei der Nutzung der Bilder einschränkt. Aber durch den Vergleich der Bilder von Rubin und Roman vom gleichen Himmelsbereich können Wissenschaftler erforschen, wie man Objekte „entblenden“ kann und diese Anpassungen auf die breiteren Beobachtungen von Rubin anwenden. Credit: J. Chiang (SLAC), C. Hirata (OSU), und NASA’s Goddard Space Flight Center

Die Roman- und Rubin-Simulationen decken denselben Himmelsbereich ab, insgesamt etwa 0,08 Quadratgrad (ungefähr ein Drittel der Himmelsfläche eines Vollmondes). Die vollständige Simulation, die später in diesem Jahr veröffentlicht wird, wird 70 Quadratgrad umfassen, etwa die Himmelsfläche von 350 Vollmonden.

Durch die Überlappung können Wissenschaftler lernen, wie sie die besten Aspekte jedes Teleskops nutzen können – Rubins breiteren Blick und Romans schärferes, tieferes Sehen. Die Kombination wird bessere Einschränkungen bieten, als Forscher von jedem Observatorium allein erkennen könnten.

„Die Verknüpfung der Simulationen, wie wir es getan haben, ermöglicht es uns, Vergleiche anzustellen und zu sehen, wie Romans weltraumgestützte Untersuchung helfen wird, Daten von Rubins bodengestützter zu verbessern“, sagte Heitmann. „Wir können Wege finden, um mehrere Objekte, die in Rubins Bildern zusammenwachsen, herauszufiltern und diese Korrekturen auf seine breitere Abdeckung anzuwenden.“

Wissenschaftler können erwägen, die Beobachtungspläne oder Datenverarbeitungs-Pipelines jedes Teleskops zu modifizieren, um die kombinierte Nutzung beider zu verbessern.

„Wir haben phänomenale Fortschritte bei der Vereinfachung dieser Pipelines und der Nutzung gemacht“, sagte Kiessling. Eine Partnerschaft mit Caltech/IPACs IRSA (Infrared Science Archive) macht simulierte Daten jetzt zugänglich, damit Forscher, wenn sie in Zukunft auf reale Daten zugreifen, bereits mit den Werkzeugen vertraut sind. „Jetzt wollen wir, dass die Leute anfangen, mit den Simulationen zu arbeiten, um zu sehen, welche Verbesserungen wir vornehmen können und sich darauf vorzubereiten, die zukünftigen Daten so effektiv wie möglich zu nutzen.“

OpenUniverse, zusammen mit anderen Simulationstools, die von Romans Science Operations und Science Support Zentren entwickelt werden, wird Wissenschaftler auf die großen Datensätze vorbereiten, die von Roman erwartet werden. Das Projekt bringt Dutzende von Experten von NASAs JPL, DOEs Argonne, IPAC und mehreren US-Universitäten zusammen, um mit den Roman Project Infrastructure Teams, SLAC und dem Rubin LSST DESC (Legacy Survey of Space and Time Dark Energy Science Collaboration) zu koordinieren. Der Theta-Supercomputer wurde vom Argonne Leadership Computing Facility, einer DOE Office of Science User Facility, betrieben.

Das Nancy Grace Roman Space Telescope, benannt nach NASAs erster Astronomiechefin, ist ein zukünftiges Observatorium, das Mitte der 2020er Jahre starten soll. Es zielt darauf ab, dunkle Energie, Exoplaneten und Infrarot-Astrophysik zu erforschen und bietet ein breiteres Sichtfeld als das Hubble Space Telescope und verwendet fortschrittliche Technologien wie ein Koronagraph, um Exoplaneten direkt abzubilden. Die Mission soll wesentliche Fragen der Kosmologie beantworten und unser Verständnis des Universums erweitern.

The Vera C. Rubin Observatory, previously known as the Large Synoptic Survey Telescope (LSST), is designed to conduct a 10-year Legacy Survey of Space and Time (LSST) to map the entire visible sky in unprecedented detail. Located in Chile, this observatory will utilize a wide-field telescope and a 3.2-billion-pixel camera to observe millions of galaxies and celestial phenomena, aiding in the study of dark matter, dark energy, and the formation of the Milky Way. Its extensive survey is expected to revolutionize our understanding of the universe and how it has evolved.