NASAs Roman Space Telescope får kosmisk "tjuvtitt" från superdatorer

Denna grafik belyser en del av en ny simulering av vad NASAs Nancy Grace Roman Space Telescope kan se när det skjuts upp senast i maj 2027. Bakgrunden spänner över cirka 0,11 kvadratgrader (ungefär motsvarande hälften av det område av himlen som täcks av en fullmåne), vilket representerar mindre än hälften av det område som Roman kommer att se i en enda ögonblicksbild. Inramningen zoomar in på ett område 300 gånger mindre och visar ett skikt av lysande syntetiska galaxer med Romans fulla upplösning. Att ha en sådan realistisk simulering hjälper forskare att studera fysiken bakom kosmiska bilder – både syntetiska som dessa och framtida riktiga. Forskare kommer att använda observationerna för många typer av vetenskap, inklusive att testa vår förståelse av universums ursprung, evolution och yttersta öde. Kredit: C. Hirata och K. Cao (OSU) och NASAs Goddard Space Flight Center

Forskare vid U.S. DOE:s Argonne National Laboratory har skapat nästan fyra miljoner simulerade bilder av kosmos för Nancy Grace Roman Space Telescope och Vera C. Rubin Observatory.

Denna simulering, en del av OpenUniverse-projektet, uppnåddes med hjälp av superdatorer och ger en mycket exakt förhandsvisning av hur dessa teleskop kommer att observera universum. Simulationerna är avgörande för att studera mörk materia och mörk energi och hjälper forskare att förbereda sig för verkliga observationer som börjar 2025 för Rubin och 2027 för Roman.

Forskare dyker ner i ett syntetiskt universum för att hjälpa oss bättre förstå det verkliga universum. Genom att använda superdatorer vid U.S. DOE:s (Department of Energy’s) Argonne National Laboratory i Illinois har forskare skapat nästan fyra miljoner simulerade bilder som avbildar kosmos som NASAs Nancy Grace Roman Space Telescope och Vera C. Rubin Observatory, gemensamt finansierade av NSF (the National Science Foundation) och DOE, i Chile kommer att se det.

Roman Space Telescope är ett NASA-observatorium utformat för att avslöja mörk energi och mörk materia, söka efter och avbilda exoplaneter och utforska många ämnen inom infraröd astrofysik. Kredit: NASA

Michael Troxel, en biträdande professor i fysik vid Duke University i Durham, North Carolina, ledde simuleringskampanjen som en del av ett större projekt kallat OpenUniverse. Teamet släpper nu en 10-terabyte delmängd av denna data, med de återstående 390 terabyten som kommer att följa under hösten när de har bearbetats.

“Med hjälp av Argonnes nu pensionerade Theta-maskin, åstadkom vi på cirka nio dagar vad som skulle ha tagit cirka 300 år på din laptop,” sade Katrin Heitmann, en kosmolog och biträdande chef för Argonnes High Energy Physics-division som hanterade projektets superdatorstid. “Resultaten kommer att forma Romans och Rubins framtida försök att belysa mörk materia och mörk energi samtidigt som de erbjuder andra forskare en förhandsvisning av de typer av saker de kommer att kunna utforska med hjälp av data från teleskopen.”

Utsikt över Rubin Observatory vid solnedgången i maj 2024, på Cerro Pachón i Chile. Kredit: Olivier Bonin/SLAC National Accelerator Laboratory

För första gången, faktorerade denna simulering in teleskopens instrumentprestanda, vilket gjorde det till den mest exakta förhandsvisningen hittills av kosmos som Roman och Rubin kommer att se det när de börjar observera. Rubin börjar sin verksamhet 2025, och NASAs Roman skjuts upp senast i maj 2027.

Simulationens precision är viktig eftersom forskare kommer att finkamma observatoriernas framtida data i jakten på små detaljer som kommer att hjälpa dem att avslöja de största mysterierna inom kosmologi.

Roman och Rubin kommer båda att utforska mörk energi – den mystiska kraft som tros accelerera universums expansion. Eftersom den spelar en stor roll i styrningen av kosmos, är forskare ivriga att lära sig mer om den. Simulationer som OpenUniverse hjälper dem att förstå signaturer som varje instrument avsätter på bilderna och reda ut databehandlingsmetoder nu så att de kan tolka framtida data korrekt. Då kommer forskare att kunna göra stora upptäckter även från svaga signaler.

“OpenUniverse låter oss kalibrera våra förväntningar på vad vi kan upptäcka med dessa teleskop,” sade Jim Chiang, en forskare vid DOE:s SLAC National Accelerator Laboratory i Menlo Park, Kalifornien, som hjälpte till att skapa simuleringarna. “Det ger oss en chans att testa våra bearbetningspipelines, bättre förstå våra analyskoder och noggrant tolka resultaten så att vi kan förbereda oss för att använda de verkliga data direkt när de börjar komma in.”

Då kommer de att fortsätta använda simuleringar för att utforska den fysik och de instrumenteffekter som skulle kunna reproducera vad observatorierna ser i universum.

Detta foto visar Argonne Leadership Computing Facilitys nu pensionerade Theta-superdator. Forskare använder superdatorer för att simulera experiment de inte kan utföra i verkliga livet, såsom att skapa nya universum från grunden. Kredit: Argonne National Laboratory

Det tog ett stort och talangfullt team från flera organisationer att genomföra en sådan enorm simulering.

“Få människor i världen är tillräckligt skickliga för att köra dessa simuleringar,” sade Alina Kiessling, forskare vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory (JPL) i södra Kalifornien och huvudforskare för OpenUniverse. “Detta massiva projekt var bara möjligt tack vare samarbetet mellan DOE, Argonne, SLAC och NASA, som samlade alla rätta resurser och experter.”

Och projektet kommer att accelerera ytterligare när Roman och Rubin börjar observera universum.

“Vi kommer att använda observationerna för att göra våra simuleringar ännu mer exakta,” sade Kiessling. “Detta kommer att ge oss större insikt i universums utveckling över tid och hjälpa oss att bättre förstå den kosmologi som slutligen formade universum.”

Detta par av bilder visar samma region av himlen som simulerad av Vera C. Rubin-observatoriet (till vänster, bearbetad av Legacy Survey of Space and Time Dark Energy Science Collaboration) och NASA:s Nancy Grace Roman Space Telescope (till höger, bearbetad av Roman High-Latitude Imaging Survey Project Infrastructure Team). Roman kommer att fånga djupare och skarpare bilder från rymden, medan Rubin kommer att observera en bredare region av himlen från marken. Eftersom den måste titta igenom jordens atmosfär, kommer Rubins bilder inte alltid att vara tillräckligt skarpa för att särskilja flera, nära källor som separata objekt. De kommer att verka sudda ihop, vilket begränsar den vetenskap forskarna kan utföra med hjälp av bilderna. Men genom att jämföra Rubin och Roman-bilder av samma himmelsregion, kan forskare utforska hur man “deblandar” objekt och implementerar justeringarna över Rubins bredare observationer. Credit: J. Chiang (SLAC), C. Hirata (OSU), och NASA:s Goddard Space Flight Center

Roman- och Rubin-simuleringarna täcker samma himmelsområde, totalt cirka 0,08 kvadratgrader (ungefär motsvarande en tredjedel av det område av himlen som täcks av en fullmåne). Den fullständiga simuleringen som kommer att släppas senare i år kommer att omfatta 70 kvadratgrader, ungefär det område av himlen som täcks av 350 fullmånar.

Genom att överlappa dem kan forskare lära sig hur man använder de bästa aspekterna av varje teleskop – Rubins bredare vy och Romans skarpare, djupare vision. Kombinationen kommer att ge bättre begränsningar än forskare kunde få från något av observatorierna ensamma.

“Genom att koppla samman simuleringarna som vi har gjort kan vi göra jämförelser och se hur Romans rymdbaserade undersökning kommer att hjälpa till att förbättra data från Rubins markbaserade,” sade Heitmann. “Vi kan utforska sätt att locka fram flera objekt som blandas ihop i Rubins bilder och tillämpa dessa korrigeringar över dess bredare täckning.”

Forskare kan överväga att modifiera varje teleskops observationsplaner eller databehandlingspipelines för att gynna den kombinerade användningen av båda.

“Vi gjorde fenomenala framsteg i att förenkla dessa pipelines och göra dem användbara,” sade Kiessling. Ett partnerskap med Caltech/IPAC’s IRSA (Infrared Science Archive) gör simulerade data tillgängliga nu så att när forskare får tillgång till verkliga data i framtiden, kommer de redan att vara vana vid verktygen. “Nu vill vi att folk ska börja arbeta med simuleringarna för att se vilka förbättringar vi kan göra och förbereda oss för att använda de framtida data så effektivt som möjligt.”

OpenUniverse, tillsammans med andra simuleringsverktyg som utvecklas av Romans Science Operations och Science Support centers, kommer att förbereda forskare för de stora dataset som förväntas från Roman. Projektet sammanför dussintals experter från NASA:s JPL, DOE:s Argonne, IPAC och flera amerikanska universitet för att samarbeta med Roman Project Infrastructure Teams, SLAC och Rubin LSST DESC (Legacy Survey of Space and Time Dark Energy Science Collaboration). Theta-superdatorn drivs av Argonne Leadership Computing Facility, en DOE Office of Science användarfacilitet.

Det Nancy Grace Roman Space Telescope, uppkallat efter NASA:s första chef för astronomi, är ett framtida observatorium som kommer att skjutas upp i mitten av 2020-talet. Dess syfte är att utforska mörk energi, exoplaneter och infraröd astrofysik, och det kommer att ge ett bredare synfält än Hubble Space Telescope och använda avancerad teknik som en koronagraf för att direkt avbilda exoplaneter. Uppdraget är utformat för att besvara nyckelfrågor inom kosmologi och utvidga vår förståelse av universum.

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.