NASA’s Roman Space Telescope Krijgt Kosmische "Sneak Peek" Van Supercomputers

Deze grafiek benadrukt een deel van een nieuwe simulatie van wat NASA's Nancy Grace Roman Space Telescope zou kunnen zien wanneer deze tegen mei 2027 wordt gelanceerd. De achtergrond beslaat ongeveer 0,11 vierkante graden (ongeveer gelijk aan de helft van het gebied van de hemel bedekt door een volle maan), wat minder dan de helft vertegenwoordigt van het gebied dat Roman zal zien in een enkele snapshot. De inzet zoomt in op een gebied dat 300 keer kleiner is en toont een strook schitterende synthetische sterrenstelsels op Romans volledige resolutie. Het hebben van zo'n realistische simulatie helpt wetenschappers de fysica achter kosmische beelden te bestuderen –– zowel synthetische zoals deze als toekomstige echte. Onderzoekers zullen de waarnemingen gebruiken voor vele soorten wetenschap, waaronder het testen van ons begrip van de oorsprong, evolutie en uiteindelijke lot van het universum. Credit: C. Hirata en K. Cao (OSU) en NASA's Goddard Space Flight Center

Onderzoekers van het U.S. DOE’s Argonne National Laboratory hebben bijna 4 miljoen gesimuleerde beelden van de kosmos gecreëerd voor de Nancy Grace Roman Space Telescope en het Vera C. Rubin Observatorium.

Deze simulatie, onderdeel van het OpenUniverse-project, werd gerealiseerd met behulp van supercomputers en biedt een zeer nauwkeurige preview van hoe deze telescopen het universum zullen waarnemen. De simulaties zijn cruciaal voor het bestuderen van donkere materie en donkere energie, en helpen wetenschappers zich voor te bereiden op echte waarnemingen die in 2025 voor Rubin en 2027 voor Roman beginnen.

Wetenschappers duiken in een synthetisch heelal om ons te helpen het echte beter te begrijpen. Met behulp van supercomputers bij het U.S. DOE's (Department of Energy's) Argonne National Laboratory in Illinois, hebben wetenschappers bijna 4 miljoen gesimuleerde beelden gecreëerd die het heelal weergeven zoals NASA's Nancy Grace Roman Space Telescope en het Vera C. Rubin Observatorium, gezamenlijk gefinancierd door NSF (de National Science Foundation) en DOE, in Chili, het zullen zien.

De Roman Space Telescope is een NASA-observatorium ontworpen om de geheimen van donkere energie en donkere materie te ontrafelen, te zoeken naar en beelden te maken van exoplaneten, en vele onderwerpen in de infraroodastrofysica te verkennen. Credit: NASA

Michael Troxel, een universitair hoofddocent natuurkunde aan de Duke University in Durham, North Carolina, leidde de simulatiecampagne als onderdeel van een breder project genaamd OpenUniverse. Het team is nu een subset van 10 terabyte van deze gegevens aan het vrijgeven, met de resterende 390 terabyte die dit najaar volgt zodra ze zijn verwerkt.

“Met behulp van Argonne's nu gepensioneerde Theta-machine hebben we in ongeveer negen dagen bereikt wat ongeveer 300 jaar op je laptop zou hebben geduurd,” zei Katrin Heitmann, een kosmoloog en adjunct-directeur van Argonne's High Energy Physics-afdeling die de supercomputertijd van het project beheerde. “De resultaten zullen Roman en Rubin's toekomstige pogingen vormgeven om donkere materie en donkere energie te verlichten, terwijl ze andere wetenschappers een preview bieden van de soort dingen die ze zullen kunnen verkennen met gegevens van de telescopen.”

Voor het eerst hield deze simulatie rekening met de prestaties van de instrumenten van de telescopen, waardoor het de meest nauwkeurige preview tot nu toe is van het heelal zoals Roman en Rubin het zullen zien zodra ze beginnen met waarnemen. Rubin zal in 2025 met operaties beginnen, en NASA's Roman zal tegen mei 2027 worden gelanceerd.

De precisie van de simulatie is belangrijk omdat wetenschappers door de toekomstige gegevens van de observatoria zullen speuren op zoek naar kleine kenmerken die hen zullen helpen de grootste mysteries in de kosmologie te ontrafelen.

Roman en Rubin zullen beiden donkere energie verkennen – de mysterieuze kracht waarvan wordt gedacht dat deze de uitdijing van het universum versnelt. Aangezien het een grote rol speelt in het beheersen van het universum, zijn wetenschappers er gretig op om er meer over te leren. Simulaties zoals OpenUniverse helpen hen de tekens te begrijpen die elk instrument op de beelden afdrukt en gegevensverwerkingsmethoden nu glad te strijken, zodat ze toekomstige gegevens correct kunnen ontcijferen. Dan zullen wetenschappers grote ontdekkingen kunnen doen, zelfs van zwakke signalen.

“OpenUniverse stelt ons in staat onze verwachtingen te kalibreren van wat we met deze telescopen kunnen ontdekken,” zei Jim Chiang, een stafwetenschapper bij DOE's SLAC National Accelerator Laboratory in Menlo Park, Californië, die hielp bij het maken van de simulaties. “Het geeft ons de kans om onze verwerkingspijplijnen te testen, onze analysecodes beter te begrijpen en de resultaten nauwkeurig te interpreteren, zodat we ons kunnen voorbereiden om de echte gegevens meteen te gebruiken zodra ze binnenkomen.”

Dan zullen ze doorgaan met het gebruik van simulaties om de fysica en instrumenteffecten te verkennen die kunnen reproduceren wat de observatoria in het universum zien.

Deze foto toont de nu gepensioneerde Theta-supercomputer van Argonne Leadership Computing Facility. Wetenschappers gebruiken supercomputers om experimenten te simuleren die ze in het echt niet kunnen uitvoeren, zoals het creëren van nieuwe universums vanuit niets. Credit: Argonne National Laboratory

Het vergde een groot en getalenteerd team van verschillende organisaties om zo'n immense simulatie uit te voeren.

“Weinig mensen in de wereld zijn bekwaam genoeg om deze simulaties uit te voeren,” zei Alina Kiessling, een onderzoeker bij NASA’s Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Zuid-Californië en de hoofdonderzoeker van OpenUniverse. “Deze enorme onderneming was alleen mogelijk dankzij de samenwerking tussen de DOE, Argonne, SLAC, en NASA, die alle juiste middelen en deskundigen bijeenbrachten.”

En het project zal verder toenemen zodra Roman en Rubin het universum beginnen te observeren.

“We zullen de waarnemingen gebruiken om onze simulaties nog nauwkeuriger te maken,” zei Kiessling. “Dit zal ons meer inzicht geven in de evolutie van het universum in de loop van de tijd en ons helpen de kosmologie die uiteindelijk het universum vormde beter te begrijpen.”

Dit paar afbeeldingen toont hetzelfde gebied van de hemel zoals gesimuleerd door het Vera C. Rubin Observatorium (links, verwerkt door de Legacy Survey of Space and Time Dark Energy Science Collaboration) en NASA’s Nancy Grace Roman Space Telescope (rechts, verwerkt door het Roman High-Latitude Imaging Survey Project Infrastructure Team). Roman zal diepere en scherpere beelden vanuit de ruimte vastleggen, terwijl Rubin een groter gebied van de hemel vanaf de grond zal observeren. Omdat het door de atmosfeer van de aarde moet kijken, zullen Rubin's beelden niet altijd scherp genoeg zijn om meerdere, dicht bij elkaar liggende bronnen als afzonderlijke objecten te onderscheiden. Ze zullen samen lijken te vloeien, wat de wetenschap beperkt die onderzoekers met de beelden kunnen doen. Maar door Rubin en Roman-beelden van hetzelfde deel van de hemel te vergelijken, kunnen wetenschappers onderzoeken hoe ze objecten kunnen 'ontblenden' en de aanpassingen implementeren in Rubin's bredere observaties. Credit: J. Chiang (SLAC), C. Hirata (OSU), en NASA’s Goddard Space Flight Center

De Roman- en Rubin-simulaties beslaan hetzelfde deel van de hemel, in totaal ongeveer 0,08 vierkante graden (ongeveer gelijk aan een derde van het gebied van de hemel bedekt door een volle maan). De volledige simulatie die later dit jaar zal worden vrijgegeven, zal 70 vierkante graden beslaan, ongeveer het hemelgebied bedekt door 350 volle manen.

Door ze te overlappen kunnen wetenschappers leren hoe ze de beste aspecten van elke telescoop kunnen gebruiken – Rubin's bredere zicht en Roman's scherpere, diepere visie. De combinatie zal betere beperkingen opleveren dan onderzoekers van een van beide observatoria alleen zouden kunnen verkrijgen.

“Door de simulaties zoals we hebben gedaan te verbinden, kunnen we vergelijkingen maken en zien hoe Roman’s ruimtegebaseerde survey zal helpen de gegevens van Rubin’s op de grond gebaseerde survey te verbeteren,” zei Heitmann. “We kunnen manieren onderzoeken om meerdere objecten die in Rubin’s beelden samenkomen te onderscheiden en die correcties toe te passen over de bredere dekking ervan.”

Wetenschappers kunnen overwegen om de observatieplannen of gegevensverwerkingspijplijnen van elke telescoop te wijzigen om te profiteren van het gecombineerde gebruik van beide.

“We hebben fenomenale vorderingen gemaakt in het vereenvoudigen van deze pijplijnen en ze bruikbaar te maken,” zei Kiessling. Een samenwerking met Caltech/IPAC's IRSA (Infrared Science Archive) maakt gesimuleerde gegevens nu toegankelijk zodat wanneer onderzoekers in de toekomst toegang krijgen tot echte gegevens, ze al gewend zijn aan de tools. “Nu willen we dat mensen beginnen te werken met de simulaties om te zien welke verbeteringen we kunnen aanbrengen en ons voorbereiden om de toekomstige gegevens zo effectief mogelijk te gebruiken.”

OpenUniverse, samen met andere simulatietools die worden ontwikkeld door Roman’s Science Operations en Science Support-centra, zal wetenschappers voorbereiden op de grote datasets die van Roman worden verwacht. Het project brengt tientallen experts samen van NASA's JPL, DOE’s Argonne, IPAC, en verschillende Amerikaanse universiteiten om samen te werken met de Roman Project Infrastructure Teams, SLAC, en de Rubin LSST DESC (Legacy Survey of Space and Time Dark Energy Science Collaboration). De Theta-supercomputer werd bediend door de Argonne Leadership Computing Facility, een DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit.

De Nancy Grace Roman Space Telescope, vernoemd naar NASA’s eerste hoofd astronomie, is een toekomstige observatorium dat in het midden van de jaren 2020 zal worden gelanceerd. Het heeft tot doel donkere energie, exoplaneten en infraroodastrofysica te verkennen, waarbij het een breder gezichtsveld biedt dan de Hubble Space Telescope en geavanceerde technologieën zoals een coronagraaf gebruikt om exoplaneten direct te beelden. De missie is ontworpen om belangrijke vragen in de kosmologie te beantwoorden en ons begrip van het universum uit te breiden.

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.