NASA’s Roman Space Telescope uzyskuje kosmiczny „przegląd” dzięki superkomputerom

Ta grafika podkreśla część nowej symulacji tego, co NASA's Nancy Grace Roman Space Telescope może zobaczyć po wystrzeleniu do maja 2027 roku. Tło obejmuje około 0,11 stopnia kwadratowego (mniej więcej równoważne połowie obszaru nieba pokrywanego przez pełnię Księżyca), reprezentując mniej niż połowę obszaru, który Roman zobaczy na jednym zdjęciu. Wstawka powiększa obszar 300 razy mniejszy, prezentując pasmo błyszczących syntetycznych galaktyk w pełnej rozdzielczości teleskopu Roman. Posiadanie tak realistycznej symulacji pomaga naukowcom badać fizykę stojącą za obrazami kosmicznymi – zarówno tymi syntetycznymi, jak i przyszłymi rzeczywistymi. Badacze będą wykorzystywać te obserwacje do wielu rodzajów badań naukowych, w tym testowania naszego zrozumienia pochodzenia, ewolucji i ostatecznego losu wszechświata. Credit: C. Hirata i K. Cao (OSU) oraz NASA's Goddard Space Flight Center.

Badacze w Argonne National Laboratory, należącym do DOE, stworzyli prawie 4 miliony symulowanych obrazów kosmosu dla Teleskopu Kosmicznego Nancy Grace Roman oraz Obserwatorium Vera C. Rubin.

Ta symulacja, będąca częścią projektu OpenUniverse, została osiągnięta przy użyciu superkomputerów i zapewnia bardzo dokładny podgląd tego, jak te teleskopy będą obserwować wszechświat. Symulacje są kluczowe dla badania ciemnej materii i ciemnej energii oraz pomagają naukowcom przygotować się do realnych obserwacji rozpoczynających się w 2025 roku dla Rubin i 2027 dla Roman.

Naukowcy zagłębiają się w syntetyczny wszechświat, aby pomóc nam lepiej zrozumieć ten rzeczywisty. Korzystając z superkomputerów w Argonne National Laboratory należącym do DOE (Department of Energy) w Illinois, naukowcy stworzyli prawie 4 miliony symulowanych obrazów przedstawiających kosmos, tak jak zobaczy go Teleskop Kosmiczny Nancy Grace Roman NASA oraz Obserwatorium Vera C. Rubin w Chile, wspólnie finansowane przez NSF (National Science Foundation) i DOE.

Teleskop kosmiczny Roman jest obserwatorium NASA zaprojektowanym do rozwikłania tajemnic ciemnej energii i ciemnej materii, poszukiwania i obrazowania egzoplanet oraz eksploracji wielu tematów w astrofizyce w podczerwieni. Credit: NASA.

Michael Troxel, adiunkt fizyki na Uniwersytecie Duke w Durham w Karolinie Północnej, prowadził kampanię symulacyjną w ramach szerszego projektu pod nazwą OpenUniverse. Zespół udostępnia teraz 10-terabajtowy podzbiór tych danych, a pozostałe 390 terabajtów zostanie udostępnione jesienią, po ich przetworzeniu.

“Korzystając z obecnie wycofanego Theta w Argonne, osiągnęliśmy w około dziewięć dni to, co zajęłoby około 300 lat na twoim laptopie,” powiedziała Katrin Heitmann, kosmolożka i zastępczyni dyrektora Wydziału Fizyki Wysokich Energii w Argonne, która zarządzała czasem superkomputera na ten projekt. “Rezultaty będą kształtować przyszłe próby Roman i Rubin w oświetlaniu ciemnej materii i ciemnej energii, jednocześnie oferując innym naukowcom podgląd tego, co będą mogli eksplorować przy użyciu danych z teleskopów.”

Widok na Obserwatorium Rubin o zachodzie słońca w maju 2024 roku na Cerro Pachón w Chile. Credit: Olivier Bonin/SLAC National Accelerator Laboratory.

Po raz pierwszy, ta symulacja uwzględniła wydajność instrumentów teleskopów, co czyni ją najbardziej dokładnym podglądem kosmosu, jaki zobaczy Roman i Rubin, gdy rozpoczną obserwacje. Rubin rozpocznie działalność w 2025 roku, a Roman NASA zostanie wystrzelony do maja 2027 roku.

Precyzja symulacji jest ważna, ponieważ naukowcy będą przeszukiwać przyszłe dane z obserwatoriów w poszukiwaniu małych cech, które pomogą im rozwikłać największe zagadki w kosmologii.

Roman i Rubin będą eksplorować ciemną energię – tajemniczą siłę, która przypuszczalnie przyspiesza rozszerzanie się wszechświata. Ponieważ odgrywa ona kluczową rolę w rządzeniu kosmosem, naukowcy są niezwykle zainteresowani jej badaniem. Symulacje takie jak OpenUniverse pomagają zrozumieć ślady, które każdy instrument odciska na obrazach i teraz dopracować metody przetwarzania danych, aby mogli poprawnie zinterpretować przyszłe dane. Wówczas naukowcy będą mogli dokonać wielkich odkryć nawet na podstawie słabych sygnałów.

“OpenUniverse pozwala nam skalibrować nasze oczekiwania co do tego, co możemy odkryć za pomocą tych teleskopów,” powiedział Jim Chiang, naukowiec w DOE’s SLAC National Accelerator Laboratory w Menlo Park w Kalifornii, który pomógł stworzyć symulacje. “Daje nam to szansę na przetestowanie naszych systemów przetwarzania, lepsze zrozumienie naszych kodów analitycznych i dokładną interpretację wyników, dzięki czemu możemy od razu wykorzystać rzeczywiste dane, gdy tylko zaczną napływać.”

Potem będą kontynuować korzystanie z symulacji, aby badać fizykę i efekty instrumentów, które mogą odtworzyć to, co obserwatoria zobaczą we wszechświecie.

To zdjęcie przedstawia obecnie wycofany superkomputer Theta w Argonne Leadership Computing Facility. Naukowcy używają superkomputerów do symulowania eksperymentów, których nie mogą przeprowadzić w rzeczywistości, takich jak tworzenie nowych wszechświatów od podstaw. Credit: Argonne National Laboratory.

Do przeprowadzenia tak ogromnej symulacji potrzeba było dużego i utalentowanego zespołu z kilku organizacji.

„Niewielu ludzi na świecie jest na tyle wykwalifikowanych, aby uruchomić te symulacje,” powiedziała Alina Kiessling, naukowiec badawczy z Laboratorium Napędu Odrzutowego NASA (JPL) w Południowej Kalifornii i główny badacz OpenUniverse. „To ogromne przedsięwzięcie było możliwe tylko dzięki współpracy między DOE, Argonne, SLAC i NASA, które zebrały wszystkie odpowiednie zasoby i ekspertów.”

Projekt nabierze jeszcze większego tempa, gdy Roman i Rubin zaczną obserwować wszechświat.

„Użyjemy obserwacji, aby nasze symulacje były jeszcze dokładniejsze,” powiedziała Kiessling. „To da nam lepsze zrozumienie ewolucji wszechświata w czasie i pomoże nam lepiej zrozumieć kosmologię, która ostatecznie ukształtowała wszechświat.”

Ta para obrazów pokazuje ten sam obszar nieba symulowany przez Obserwatorium Very C. Rubin (po lewej, przetworzony przez Legacy Survey of Space and Time Dark Energy Science Collaboration) i Kosmiczny Teleskop Nancy Grace Roman NASA (po prawej, przetworzony przez Roman High-Latitude Imaging Survey Project Infrastructure Team). Roman uchwyci głębsze i ostrzejsze obrazy z kosmosu, podczas gdy Rubin będzie obserwował szerszy obszar nieba z ziemi. Ponieważ Rubin musi patrzeć przez atmosferę Ziemi, jego obrazy nie zawsze będą wystarczająco ostre, aby rozróżnić wiele, bliskie źródła jako oddzielne obiekty. Będą się one rozmywać, co ogranicza badania naukowców mogące korzystać z tych obrazów. Jednak porównując obrazy Rubin i Roman tego samego obszaru nieba, naukowcy mogą zbadać, jak „odróżniać” obiekty i zastosować te korekty w szerszych obserwacjach Rubina. Credit: J. Chiang (SLAC), C. Hirata (OSU), and NASA’s Goddard Space Flight Center

Symulacje Roman i Rubin obejmują ten sam obszar nieba, wynoszący około 0,08 stopnia kwadratowego (mniej więcej równoważnego jednej trzeciej obszaru nieba pokrywanego przez pełnię Księżyca). Pełna symulacja, która ukaże się jeszcze w tym roku, obejmie 70 stopni kwadratowych, czyli obszar nieba odpowiadający 350 pełniom Księżyca.

Ich nakładanie pozwala naukowcom nauczyć się korzystać z najlepszych cech każdego z teleskopów – szerszego widoku Rubina i ostrzejszej, głębszej wizji Romana. Kombinacja ta przyniesie lepsze ograniczenia, niż naukowcy mogliby uzyskać z któregokolwiek z obserwatoriów osobno.

„Łącząc symulacje, jak to zrobiliśmy, możemy dokonywać porównań i zobaczyć, jak przestrzenne badanie Romana pomoże poprawić dane z naziemnego badania Rubina,” powiedziała Heitmann. „Możemy badać sposoby wyodrębniania wielu obiektów, które łączą się w obrazach Rubina, i stosować te poprawki w jego szerszym zasięgu.”

Naukowcy mogą rozważyć modyfikację planów obserwacyjnych każdego z teleskopów lub potoków przetwarzania danych, aby skorzystać na wspólnym użyciu obu.

„Dokonaliśmy niesamowitych postępów w upraszczaniu tych potoków i uczynieniu ich użytecznymi,” powiedziała Kiessling. Partnerstwo z Infrared Science Archive (IRSA) Caltech/IPAC sprawia, że symulowane dane są teraz dostępne, więc gdy badacze uzyskają dostęp do rzeczywistych danych w przyszłości, będą już zaznajomieni z narzędziami. „Teraz chcemy, aby ludzie zaczęli pracować z symulacjami, aby zobaczyć, jakie poprawki możemy wprowadzić i przygotować się do jak najefektywniejszego użycia przyszłych danych.”

OpenUniverse, wraz z innymi narzędziami symulacyjnymi opracowywanymi przez centra Operacji Naukowych i Wsparcia Naukowego Romana, przygotuje naukowców na duże zestawy danych, których oczekuje się od Romana. Projekt gromadzi dziesiątki ekspertów z JPL NASA, Argonne DOE, IPAC i kilku amerykańskich uniwersytetów, aby koordynować z Zespołami Projektów Infrastruktury Romana, SLAC i Rubin LSST DESC (Legacy Survey of Space and Time Dark Energy Science Collaboration). Superkomputer Theta był obsługiwany przez Argonne Leadership Computing Facility, użytkowy obiekt DOE Office of Science.

Kosmiczny Teleskop Nancy Grace Roman, nazwana na cześć pierwszego głównego astronoma NASA, to przyszłe obserwatorium zaplanowane do wystrzelenia w połowie lat 2020. Ma na celu badanie ciemnej energii, egzoplanet i astrofizyki w podczerwieni, oferując szersze pole widzenia niż Teleskop Kosmiczny Hubble’a i stosując zaawansowane technologie, takie jak koronograf do bezpośredniego obrazowania egzoplanet. Misja ma na celu odpowiedź na kluczowe pytania w kosmologii i rozszerzenie naszej wiedzy o wszechświecie.

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.