El Telescopio Espacial Roman de la NASA obtiene un "vistazo" cósmico de los supercomputadores

Este gráfico destaca parte de una nueva simulación de lo que el Telescopio Espacial Nancy Grace Roman de la NASA podría ver cuando se lance en mayo de 2027. El fondo abarca aproximadamente 0,11 grados cuadrados (equivalente aproximadamente a la mitad del área del cielo cubierta por una Luna llena), representando menos de la mitad del área que Roman verá en una sola instantánea. El recuadro inserta un zoom a una región 300 veces más pequeña, mostrando una porción de galaxias sintéticas brillantes a la resolución completa de Roman. Tener una simulación tan realista ayuda a los científicos a estudiar la física detrás de las imágenes cósmicas, tanto las sintéticas como estas, así como las reales futuras. Los investigadores utilizarán las observaciones para muchos tipos de ciencia, incluyendo probar nuestra comprensión del origen, evolución y destino último del universo. Crédito: C. Hirata y K. Cao (OSU) y el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA.

Investigadores en el Laboratorio Nacional Argonne del DOE de EE. UU. han creado casi 4 millones de imágenes simuladas del cosmos para el Telescopio Espacial Nancy Grace Roman y el Observatorio Vera C. Rubin.

Esta simulación, parte del proyecto OpenUniverse, se logró utilizando supercomputadoras y proporciona una vista previa altamente precisa de cómo estos telescopios observarán el universo. Las simulaciones son cruciales para estudiar la materia oscura y la energía oscura, y ayudan a los científicos a prepararse para las observaciones reales que comenzarán en 2025 para Rubin y 2027 para Roman.

Los científicos están sumergiéndose en un universo sintético para ayudarnos a comprender mejor el real. Utilizando supercomputadoras en el Laboratorio Nacional Argonne del DOE (Departamento de Energía) en Illinois, los científicos han creado casi 4 millones de imágenes simuladas que representan el cosmos tal como lo verán el Telescopio Espacial Nancy Grace Roman de la NASA y el Observatorio Vera C. Rubin, financiado conjuntamente por la NSF (Fundación Nacional de Ciencias) y el DOE, en Chile.

El Telescopio Espacial Roman es un observatorio de la NASA diseñado para desentrañar los secretos de la energía oscura y la materia oscura, buscar e imagen exoplanetas y explorar muchos temas en astrofísica infrarroja. Crédito: NASA.

Michael Troxel, profesor asociado de física en la Universidad de Duke en Durham, Carolina del Norte, dirigió la campaña de simulación como parte de un proyecto más amplio llamado OpenUniverse. El equipo ahora está lanzando un subconjunto de 10 terabytes de estos datos, con los 390 terabytes restantes a seguir este otoño una vez que hayan sido procesados.

“Usando la ahora retirada máquina Theta de Argonne, logramos en unos nueve días lo que habría llevado alrededor de 300 años en tu portátil”, dijo Katrin Heitmann, cosmóloga y subdirectora de la división de Física de Alta Energía de Argonne, que gestionó el tiempo de la supercomputadora del proyecto. “Los resultados darán forma a futuros intentos de Roman y Rubin para iluminar la materia oscura y la energía oscura, y al mismo tiempo ofrecerán a otros científicos una vista previa de los tipos de cosas que podrán explorar utilizando datos de los telescopios.”

Vista del Observatorio Rubin al atardecer en mayo de 2024, en Cerro Pachón, Chile. Crédito: Olivier Bonin/SLAC National Accelerator Laboratory.

Por primera vez, esta simulación tuvo en cuenta el rendimiento de los instrumentos de los telescopios, haciéndola la vista previa más precisa hasta la fecha del cosmos tal como lo verán Roman y Rubin una vez que comiencen a observar. Rubin comenzará operaciones en 2025, y el Roman de la NASA se lanzará en mayo de 2027.

La precisión de la simulación es importante porque los científicos peinarán los datos futuros de los observatorios en busca de características diminutas que les ayudarán a desentrañar los mayores misterios en cosmología.

Roman y Rubin explorarán ambos la energía oscura, la misteriosa fuerza que se cree está acelerando la expansión del universo. Dado que juega un papel importante en el gobierno del cosmos, los científicos están ansiosos por aprender más sobre ella. Las simulaciones como OpenUniverse les ayudan a entender las firmas que cada instrumento imprime en las imágenes y a perfeccionar los métodos de procesamiento de datos ahora para que puedan descifrar los datos futuros correctamente. Luego, los científicos podrán hacer grandes descubrimientos incluso a partir de señales débiles.

“OpenUniverse nos permite calibrar nuestras expectativas de lo que podemos descubrir con estos telescopios,” dijo Jim Chiang, científico del personal en el DOE’s SLAC National Accelerator Laboratory en Menlo Park, California, quien ayudó a crear las simulaciones. “Nos da la oportunidad de ejercitar nuestras canalizaciones de procesamiento, entender mejor nuestros códigos de análisis e interpretar con precisión los resultados para que podamos prepararnos para usar los datos reales de inmediato una vez que comience a llegar.”

Luego continuarán utilizando simulaciones para explorar la física y los efectos de los instrumentos que podrían reproducir lo que los observatorios ven en el universo.

Esta foto muestra la ahora retirada supercomputadora Theta del Centro de Computación de Liderazgo de Argonne. Los científicos usan supercomputadoras para simular experimentos que no pueden realizar en la vida real, como crear nuevos universos desde cero. Crédito: Laboratorio Nacional Argonne.

Se necesitó un equipo grande y talentoso de varias organizaciones para llevar a cabo una simulación tan inmensa.

“Pocas personas en el mundo tienen la habilidad suficiente para ejecutar estas simulaciones,” dijo Alina Kiessling, científica investigadora en el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA en el Sur de California y la investigadora principal de OpenUniverse. “Esta empresa masiva solo fue posible gracias a la colaboración entre el DOE, Argonne, SLAC y NASA, que juntaron todos los recursos y expertos adecuados.”

Y el proyecto aumentará aún más una vez que Roman y Rubin comiencen a observar el universo.

“Usaremos las observaciones para hacer nuestras simulaciones aún más precisas,” dijo Kiessling. “Esto nos dará una mayor comprensión de la evolución del universo a lo largo del tiempo y nos ayudará a entender mejor la cosmología que, en última instancia, dio forma al universo.”

Este par de imágenes muestra la misma región del cielo simulada por el Observatorio Vera C. Rubin (izquierda, procesada por la Colaboración Científica de Energía Oscura del Legado de la Encuesta del Espacio y el Tiempo) y el Telescopio Espacial Nancy Grace Roman de la NASA (derecha, procesado por el Equipo de Infraestructura del Proyecto de Encuesta de Imágenes de Alta Latitud de Roman). Roman capturará imágenes más profundas y nítidas desde el espacio, mientras que Rubin observará una región más amplia del cielo desde el suelo. Debido a que tiene que mirar a través de la atmósfera de la Tierra, las imágenes de Rubin no siempre serán lo suficientemente nítidas como para distinguir múltiples fuentes cercanas como objetos separados. Aparecerán borrosas, lo que limita la ciencia que los investigadores pueden hacer usando las imágenes. Pero al comparar las imágenes de Rubin y Roman de la misma porción de cielo, los científicos pueden explorar cómo “desmezclar” objetos e implementar los ajustes en las observaciones más amplias de Rubin. Crédito: J. Chiang (SLAC), C. Hirata (OSU), y el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA

Las simulaciones de Roman y Rubin cubren la misma porción del cielo, con un total de aproximadamente 0,08 grados cuadrados (aproximadamente equivalente a un tercio del área del cielo cubierta por una Luna llena). La simulación completa que se publicará a finales de este año abarcará 70 grados cuadrados, aproximadamente el área del cielo cubierta por 350 lunas llenas.

Superponerlas permite a los científicos aprender cómo usar los mejores aspectos de cada telescopio: la vista más amplia de Rubin y la visión más nítida y profunda de Roman. La combinación proporcionará mejores restricciones de las que los investigadores podrían obtener de cualquiera de los observatorios por sí solos.

“Conectar las simulaciones como lo hemos hecho nos permite hacer comparaciones y ver cómo la encuesta basada en el espacio de Roman ayudará a mejorar los datos de la encuesta basada en tierra de Rubin,” dijo Heitmann. “Podemos explorar formas de extraer múltiples objetos que se mezclan en las imágenes de Rubin y aplicar esas correcciones en su cobertura más amplia.”

Los científicos pueden considerar modificar los planes de observación o las líneas de procesamiento de datos de cada telescopio para beneficiar el uso combinado de ambos.

“Hicimos avances fenomenales en simplificar estas líneas y hacerlas utilizables,” dijo Kiessling. Una asociación con IRSA (Archivo de Ciencias Infrarrojas) de Caltech/IPAC hace que los datos simulados sean accesibles ahora, así cuando los investigadores accedan a los datos reales en el futuro, ya estarán acostumbrados a las herramientas. “Ahora queremos que la gente comience a trabajar con las simulaciones para ver qué mejoras podemos hacer y prepararnos para usar los datos futuros de la manera más efectiva posible.”

OpenUniverse, junto con otras herramientas de simulación que están siendo desarrolladas por los centros de Operaciones Científicas y Soporte Científico de Roman, prepararán a los científicos para los grandes conjuntos de datos esperados de Roman. El proyecto reúne a docenas de expertos del JPL de la NASA, Argonne del DOE, IPAC y varias universidades estadounidenses para coordinarse con los Equipos de Infraestructura del Proyecto Roman, SLAC y la Colaboración Científica de Energía Oscura del Legado de la Encuesta del Espacio y el Tiempo de Rubin. La supercomputadora Theta fue operada por la Instalación de Computación de Liderazgo de Argonne, una instalación de usuario de la Oficina de Ciencias del DOE.

El Telescopio Espacial Nancy Grace Roman, nombrado así en honor a la primera jefa de astronomía de la NASA, es un futuro observatorio que se lanzará a mediados de la década de 2020. Su objetivo es explorar la energía oscura, los exoplanetas y la astrofísica infrarroja, proporcionando un campo de visión más amplio que el Telescopio Espacial Hubble y empleando tecnología avanzada como un coronógrafo para captar imágenes directas de exoplanetas. La misión está diseñada para responder preguntas clave en cosmología y expandir nuestra comprensión del universo.

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.