Il Roman Space Telescope della NASA Ottiene un "Anteprima Cosmica" dai Supercomputer

Questa grafica evidenzia parte di una nuova simulazione di ciò che il telescopio spaziale Nancy Grace Roman della NASA potrebbe vedere quando verrà lanciato entro maggio 2027. Lo sfondo copre circa 0,11 gradi quadrati (all'incirca equivalente a metà dell'area del cielo coperta da una Luna piena), rappresentando meno della metà dell'area che Roman vedrà in un singolo scatto. L'inserto ingrandisce una regione 300 volte più piccola, mostrando una serie di brillanti galassie sintetiche alla massima risoluzione di Roman. Avere una simulazione così realistica aiuta gli scienziati a studiare la fisica dietro le immagini cosmiche –– sia quelle sintetiche come queste sia quelle future reali. I ricercatori utilizzeranno le osservazioni per molti tipi di scienza, incluso il test della nostra comprensione dell'origine, dell'evoluzione e del destino finale dell'universo. Credito: C. Hirata e K. Cao (OSU) e NASA’s Goddard Space Flight Center

I ricercatori del laboratorio nazionale Argonne del DOE (Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti) hanno creato quasi 4 milioni di immagini simulate del cosmo per il telescopio spaziale Nancy Grace Roman e l'osservatorio Vera C. Rubin.

Questa simulazione, parte del progetto OpenUniverse, è stata realizzata utilizzando supercomputer e fornisce un'anteprima altamente accurata di come questi telescopi osserveranno l'universo. Le simulazioni sono cruciali per lo studio della materia oscura e dell'energia oscura, e aiutano gli scienziati a prepararsi per le osservazioni reali che inizieranno nel 2025 per Rubin e nel 2027 per Roman.

Gli scienziati stanno esplorando un universo sintetico per aiutarci a comprendere meglio quello reale. Utilizzando i supercomputer presso il laboratorio nazionale Argonne del DOE (Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti) in Illinois, gli scienziati hanno creato quasi 4 milioni di immagini simulate che rappresentano il cosmo come lo vedranno il telescopio spaziale Nancy Grace Roman della NASA e l'osservatorio Vera C. Rubin, finanziati congiuntamente dalla NSF (National Science Foundation) e dal DOE, in Cile.

Il telescopio spaziale Roman è un osservatorio della NASA progettato per svelare i segreti dell'energia oscura e della materia oscura, cercare e immaginare esopianeti ed esplorare molti argomenti nell'astrofisica infrarossa. Credito: NASA

Michael Troxel, professore associato di fisica alla Duke University a Durham, North Carolina, ha guidato la campagna di simulazione come parte di un progetto più ampio chiamato OpenUniverse. Il team sta attualmente rilasciando un sottoinsieme di 10 terabyte di questi dati, con i restanti 390 terabyte che seguiranno questo autunno una volta elaborati.

“Utilizzando la macchina Theta ora ritirata di Argonne, abbiamo realizzato in circa nove giorni ciò che avrebbe richiesto circa 300 anni sul vostro laptop,” ha detto Katrin Heitmann, cosmologa e vicedirettore della divisione di fisica delle alte energie di Argonne che ha gestito il tempo di supercalcolo del progetto. “I risultati influenzeranno i futuri tentativi di Roman e Rubin di illuminare la materia oscura e l'energia oscura, offrendo ad altri scienziati un'anteprima dei tipi di cose che potranno esplorare utilizzando i dati dai telescopi.”

Vista dell'osservatorio Rubin al tramonto nel maggio 2024, su Cerro Pachón in Cile. Credito: Olivier Bonin/SLAC National Accelerator Laboratory

Per la prima volta, questa simulazione ha tenuto conto delle prestazioni degli strumenti dei telescopi, rendendola l'anteprima più accurata del cosmo come lo vedranno Roman e Rubin una volta che inizieranno a osservare. Rubin inizierà le operazioni nel 2025, e Roman della NASA sarà lanciato entro maggio 2027.

La precisione della simulazione è importante perché gli scienziati esamineranno i futuri dati degli osservatori alla ricerca di piccole caratteristiche che li aiuteranno a svelare i più grandi misteri della cosmologia.

Roman e Rubin esploreranno entrambi l'energia oscura – la misteriosa forza che si pensa stia accelerando l'espansione dell'universo. Poiché gioca un ruolo importante nel governare il cosmo, gli scienziati sono desiderosi di saperne di più. Simulazioni come OpenUniverse li aiutano a comprendere le firme che ciascuno strumento imprime sulle immagini e a perfezionare i metodi di elaborazione dei dati ora, così da poter decifrare correttamente i dati futuri. Quindi gli scienziati saranno in grado di fare grandi scoperte anche da segnali deboli.

“OpenUniverse ci permette di calibrare le nostre aspettative su ciò che possiamo scoprire con questi telescopi,” ha detto Jim Chiang, uno scienziato staff presso il DOE’s SLAC National Accelerator Laboratory a Menlo Park, California, che ha aiutato a creare le simulazioni. “Ci offre l'opportunità di esercitare i nostri pipeline di elaborazione, di comprendere meglio i nostri codici di analisi e di interpretare accuratamente i risultati in modo da poterci preparare a utilizzare subito i dati reali quando inizieranno ad arrivare.”

Successivamente continueranno a utilizzare le simulazioni per esplorare la fisica e gli effetti degli strumenti che potrebbero riprodurre ciò che gli osservatori vedono nell'universo.

Questa foto mostra il supercomputer Theta ora ritirato del Argonne Leadership Computing Facility. Gli scienziati usano i supercomputer per simulare esperimenti che non possono condurre nella vita reale, come la creazione di nuovi universi da zero. Credito: Argonne National Laboratory

Ci è voluto un team numeroso e talentuoso proveniente da diverse organizzazioni per condurre una simulazione così immensa.

“Poche persone al mondo sono abbastanza qualificate per eseguire queste simulazioni,” ha detto Alina Kiessling, una scienziata ricercatrice presso il Jet Propulsion Laboratory (JPL) della NASA nel Sud della California e l'investigatrice principale di OpenUniverse. “Questa impresa enorme è stata possibile solo grazie alla collaborazione tra il DOE, Argonne, SLAC e NASA, che hanno messo insieme tutte le risorse e gli esperti giusti.”

E il progetto si intensificherà ulteriormente una volta che Roman e Rubin inizieranno a osservare l'universo.

“Useremo le osservazioni per rendere le nostre simulazioni ancora più accurate,” ha detto Kiessling. “Questo ci darà una maggiore comprensione dell'evoluzione dell'universo nel tempo e ci aiuterà a comprendere meglio la cosmologia che ha plasmato l'universo.”

Questa coppia di immagini mostra la stessa regione del cielo come simulata dal Vera C. Rubin Observatory (sinistra, processata dal Legacy Survey of Space and Time Dark Energy Science Collaboration) e dal Telescopio Spaziale Nancy Grace Roman della NASA (destra, processata dal Roman High-Latitude Imaging Survey Project Infrastructure Team). Roman catturerà immagini più profonde e nitide dallo spazio, mentre Rubin osserverà una regione del cielo più ampia dalla terra. Poiché deve guardare attraverso l'atmosfera terrestre, le immagini di Rubin non saranno sempre abbastanza nitide per distinguere più fonti vicine come oggetti separati. Appariranno sfocate insieme, il che limita la scienza che i ricercatori possono fare utilizzando le immagini. Ma confrontando le immagini di Rubin e Roman della stessa porzione di cielo, gli scienziati possono esplorare come "separare" gli oggetti e implementare le regolazioni su osservazioni più ampie di Rubin. Credit: J. Chiang (SLAC), C. Hirata (OSU), e il Goddard Space Flight Center della NASA

Le simulazioni di Roman e Rubin coprono la stessa porzione di cielo, totale di circa 0,08 gradi quadrati (grossomodo equivalente a un terzo dell'area di cielo coperta da una luna piena). La simulazione completa che verrà rilasciata entro la fine dell'anno coprirà 70 gradi quadrati, circa l'area di cielo coperta da 350 lune piene.

Sovrapponendole, gli scienziati possono imparare a utilizzare al meglio ogni telescopio – la visione più ampia di Rubin e la visione più nitida e profonda di Roman. La combinazione fornirà vincoli migliori di quanto i ricercatori potrebbero ottenere da ciascun osservatorio da solo.

“Collegare le simulazioni come abbiamo fatto ci consente di fare confronti e vedere come il sondaggio spaziale di Roman aiuterà a migliorare i dati di quello terrestre di Rubin,” ha detto Heitmann. “Possiamo esplorare modi per individuare oggetti multipli che si fondono insieme nelle immagini di Rubin e applicare quelle correzioni sulla sua copertura più ampia.”

Gli scienziati possono considerare di modificare i piani di osservazione di ciascun telescopio o le pipeline di elaborazione dei dati per beneficiare dell'uso combinato di entrambi.

“Abbiamo fatto progressi fenomenali nel semplificare queste pipeline e renderle utilizzabili,” ha detto Kiessling. Una partnership con Caltech/IPAC’s IRSA (Infrared Science Archive) rende i dati simulati accessibili ora in modo che quando i ricercatori accederanno ai dati reali in futuro, saranno già abituati agli strumenti. “Ora vogliamo che le persone inizino a lavorare con le simulazioni per vedere quali miglioramenti possiamo apportare e prepararsi a utilizzare i dati futuri nel modo più efficace possibile.”

OpenUniverse, insieme ad altri strumenti di simulazione sviluppati dai centri di Science Operations e Science Support di Roman, preparerà gli scienziati per i grandi set di dati previsti da Roman. Il progetto riunisce dozzine di esperti del JPL della NASA, del DOE’s Argonne, dell'IPAC, e di diverse università statunitensi per coordinarsi con i Roman Project Infrastructure Teams, lo SLAC, e il Rubin LSST DESC (Legacy Survey of Space and Time Dark Energy Science Collaboration). Il supercomputer Theta è stato operato dall'Argonne Leadership Computing Facility, una struttura per utenti dell'Office of Science del DOE.

Il Telescopio Spaziale Nancy Grace Roman, intitolato al primo capo dell'astronomia della NASA, è un futuro osservatorio che verrà lanciato a metà degli anni 2020. Mira a esplorare l'energia oscura, gli esopianeti e l'astrofisica infrarossa, fornendo un campo visivo più ampio rispetto al Telescopio Spaziale Hubble e impiegando una tecnologia avanzata come un coronografo per immagini dirette degli esopianeti. La missione è progettata per rispondere a domande chiave in cosmologia e espandere la nostra comprensione dell'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.