Le télescope spatial Roman de la NASA obtient un "aperçu" cosmique grâce aux superordinateurs

Ce graphique met en lumière une partie d'une nouvelle simulation de ce que le télescope spatial Nancy Grace Roman de la NASA pourrait voir lorsqu'il sera lancé d'ici mai 2027. L'arrière-plan couvre environ 0,11 degrés carrés (à peu près équivalent à la moitié de la surface du ciel couverte par une pleine lune), ce qui représente moins de la moitié de la zone que Roman verra en une seule prise de vue. L'encart effectue un zoom sur une région 300 fois plus petite, présentant une bande de galaxies synthétiques brillantes à la résolution maximale de Roman. Avoir une simulation aussi réaliste aide les scientifiques à étudier la physique derrière les images cosmiques –– à la fois celles synthétiques comme celles-ci et les futures images réelles. Les chercheurs utiliseront les observations pour de nombreux types de science, y compris tester notre compréhension de l'origine, de l'évolution et du destin ultime de l'univers. Crédit: C. Hirata et K. Cao (OSU) et le Centre de vol spatial Goddard de la NASA

Les chercheurs du laboratoire national Argonne du DOE américain ont créé près de 4 millions d'images simulées du cosmos pour le télescope spatial Nancy Grace Roman et l'observatoire Vera C. Rubin.

Cette simulation, faisant partie du projet OpenUniverse, a été réalisée en utilisant des superordinateurs et fournit un aperçu très précis de la manière dont ces télescopes observeront l'univers. Les simulations sont cruciales pour étudier la matière noire et l'énergie noire, et aident les scientifiques à se préparer aux observations réelles qui débuteront en 2025 pour Rubin et en 2027 pour Roman.

Les scientifiques plongent dans un univers synthétique pour nous aider à mieux comprendre le vrai. En utilisant des superordinateurs au laboratoire national Argonne du DOE (Département de l'Énergie) américain dans l'Illinois, les scientifiques ont créé près de 4 millions d'images simulées représentant le cosmos tel que le télescope spatial Nancy Grace Roman de la NASA et l'observatoire Vera C. Rubin, financés conjointement par la NSF (la Fondation Nationale pour la Science) et le DOE au Chili, le verront.

Le télescope spatial Roman est un observatoire de la NASA conçu pour percer les secrets de l'énergie noire et de la matière noire, rechercher et imager des exoplanètes, et explorer de nombreux sujets en astrophysique infrarouge. Crédit: NASA

Michael Troxel, professeur associé de physique à l'Université Duke à Durham, en Caroline du Nord, a dirigé la campagne de simulation dans le cadre d'un projet plus large appelé OpenUniverse. L'équipe publie maintenant un sous-ensemble de données de 10 téraoctets, les 390 téraoctets restants suivront cet automne une fois qu'ils auront été traités.

“En utilisant la machine Theta désormais retirée d'Argonne, nous avons accompli en environ neuf jours ce qui aurait pris environ 300 ans sur votre ordinateur portable,” a déclaré Katrin Heitmann, cosmologue et directrice adjointe de la division de physique des hautes énergies d'Argonne qui a géré le temps de supercalcul de projet. “Les résultats façonneront les futures tentatives de Roman et de Rubin pour éclairer la matière noire et l'énergie noire tout en offrant à d'autres scientifiques un aperçu des types de choses qu'ils pourront explorer en utilisant les données des télescopes.”

Vue de l'observatoire Rubin au coucher du soleil en mai 2024, sur le Cerro Pachón au Chili. Crédit: Olivier Bonin/SLAC National Accelerator Laboratory

Pour la première fois, cette simulation a pris en compte les performances des instruments des télescopes, ce qui en fait l'aperçu le plus précis à ce jour du cosmos tel que Roman et Rubin le verront une fois qu'ils commenceront à observer. Rubin commencera ses opérations en 2025, et le Roman de la NASA sera lancé d'ici mai 2027.

La précision de la simulation est importante car les scientifiques examineront les futures données des observatoires à la recherche de petites caractéristiques qui les aideront à résoudre les plus grands mystères de la cosmologie.

Roman et Rubin exploreront tous deux l'énergie noire – la force mystérieuse censée accélérer l'expansion de l'univers. Étant donné qu'elle joue un rôle majeur dans la gouvernance du cosmos, les scientifiques sont impatients d'en apprendre davantage à son sujet. Des simulations comme OpenUniverse les aident à comprendre les signatures que chaque instrument imprime sur les images et à peaufiner les méthodes de traitement des données maintenant pour qu'ils puissent interpréter correctement les futures données. Ensuite, les scientifiques pourront faire de grandes découvertes même à partir de signaux faibles.

“OpenUniverse nous permet de calibrer nos attentes quant à ce que nous pouvons découvrir avec ces télescopes,” a déclaré Jim Chiang, scientifique du personnel au SLAC National Accelerator Laboratory du DOE à Menlo Park, en Californie, qui a aidé à créer les simulations. “Cela nous donne l'occasion d'exercer nos pipelines de traitement, de mieux comprendre nos codes d'analyse et d'interpréter avec précision les résultats afin que nous puissions nous préparer à utiliser les vraies données dès qu'elles commenceront à arriver.”

Ensuite, ils continueront à utiliser des simulations pour explorer les effets physiques et instrumentaux qui pourraient reproduire ce que les observatoires voient dans l'univers.

Cette photo affiche le superordinateur Theta maintenant retiré de l'Argonne Leadership Computing Facility. Les scientifiques utilisent des superordinateurs pour simuler des expériences qu'ils ne peuvent pas mener dans la vraie vie, comme créer de nouveaux univers à partir de zéro. Crédit: Argonne National Laboratory

Il a fallu une grande équipe talentueuse de plusieurs organisations pour mener une simulation aussi immense.

« Peu de gens dans le monde sont suffisamment compétents pour réaliser ces simulations », a déclaré Alina Kiessling, chercheuse au Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA en Californie du Sud et investigatrice principale d'OpenUniverse. « Cette entreprise massive n'a été possible que grâce à la collaboration entre le DOE, Argonne, SLAC et la NASA, qui ont rassemblé toutes les ressources et experts nécessaires. »

Et le projet va encore s'intensifier une fois que Roman et Rubin commenceront à observer l'univers.

« Nous utiliserons les observations pour rendre nos simulations encore plus précises », a déclaré Kiessling. « Cela nous donnera une meilleure compréhension de l'évolution de l'univers au fil du temps et nous aidera à mieux comprendre la cosmologie qui a finalement façonné l'univers. »

Cette paire d'images montre la même région du ciel telle que simulée par l'Observatoire Vera C. Rubin (à gauche, traitée par la Legacy Survey of Space and Time Dark Energy Science Collaboration) et le télescope spatial Nancy Grace Roman de la NASA (à droite, traitée par le Roman High-Latitude Imaging Survey Project Infrastructure Team). Roman prendra des images plus profondes et plus nettes depuis l'espace, tandis que Rubin observera une région plus large du ciel depuis le sol. Comme il doit regarder à travers l'atmosphère terrestre, les images de Rubin ne seront pas toujours suffisamment nettes pour distinguer plusieurs sources rapprochées comme des objets séparés. Elles semblent se brouiller ensemble, ce qui limite les recherches scientifiques pouvant être réalisées à partir des images. Mais en comparant les images de Rubin et Roman de la même parcelle de ciel, les scientifiques peuvent explorer comment « déblinder » les objets et mettre en œuvre les ajustements sur les observations plus larges de Rubin. Crédit: J. Chiang (SLAC), C. Hirata (OSU) et le Goddard Space Flight Center de la NASA

Les simulations de Roman et Rubin couvrent la même parcelle de ciel, soit environ 0,08 degré carré (à peu près l'équivalent d'un tiers de la surface du ciel couvert par une pleine Lune). La simulation complète à publier plus tard cette année couvrira 70 degrés carrés, soit la surface du ciel couverte par 350 pleines Lunes.

Les superposer permet aux scientifiques d'apprendre à utiliser les meilleurs aspects de chaque télescope – la vue plus large de Rubin et la vision plus nette et plus profonde de Roman. La combinaison offrira de meilleures contraintes que ce que les chercheurs pourraient obtenir de chacun des observatoires pris séparément.

« Relier les simulations comme nous l'avons fait nous permet de faire des comparaisons et de voir comment l'enquête spatiale de Roman améliorera les données de celle au sol de Rubin », a déclaré Heitmann. « Nous pouvons explorer des moyens de démêler plusieurs objets qui se fondent ensemble dans les images de Rubin et appliquer ces corrections sur sa couverture plus large. »

Les scientifiques peuvent envisager de modifier les plans d'observation ou les pipelines de traitement des données de chaque télescope pour bénéficier de l'utilisation combinée des deux.

« Nous avons réalisé des avancées phénoménales en simplifiant ces pipelines et en les rendant utilisables », a déclaré Kiessling. Un partenariat avec l'IRSA (Infrared Science Archive) de Caltech/IPAC rend les données simulées accessibles dès maintenant afin que, lorsque les chercheurs accéderont aux données réelles à l'avenir, ils seront déjà habitués aux outils. « Maintenant, nous voulons que les gens commencent à travailler avec les simulations pour voir quelles améliorations nous pouvons apporter et nous préparer à utiliser les données futures aussi efficacement que possible. »

OpenUniverse, ainsi que d'autres outils de simulation développés par les centres des opérations scientifiques et de soutien scientifique de Roman, préparera les scientifiques aux grands ensembles de données attendus de Roman. Le projet rassemble des dizaines d'experts du JPL de la NASA, d'Argonne du DOE, d'IPAC et de plusieurs universités américaines pour coordonner avec les équipes d'infrastructure du projet Roman, SLAC et la Rubin LSST DESC (Legacy Survey of Space and Time Dark Energy Science Collaboration). Le supercalculateur Theta était exploité par l'Argonne Leadership Computing Facility, une installation utilisatrice du Bureau des sciences du DOE.

Le télescope spatial Nancy Grace Roman, nommé d'après la première directrice de l'astronomie de la NASA, est un futur observatoire dont le lancement est prévu au milieu des années 2020. Il vise à explorer l'énergie noire, les exoplanètes et l'astrophysique infrarouge, offrant un champ de vision plus large que le télescope spatial Hubble et utilisant une technologie avancée comme un coronographe pour imager directement les exoplanètes. La mission est conçue pour répondre à des questions clés en cosmologie et élargir notre compréhension de l'univers.

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.