Это изображение является частью гораздо более крупной модели, которая изображает космос таким, каким его увидит римский космический телескоп НАСА Нэнси Грейс после запуска. Каждое пятно и кусочек света представляют собой далекую галактику, за исключением острых точек, похожих на ежей, которые представляют собой звезды на переднем плане в нашем Млечном Пути. Фото предоставлено: К. Хирата и К. Цао (ОГУ) и Центр космических полетов имени Годдарда НАСА.
Ученые из Лаборатории реактивного движения НАСА совместно работают над проектом, который заложит основу для двух телескопов, предназначенных для изучения одной из величайших загадок астрофизики.
Исследователи погружаются в синтетическую вселенную, чтобы помочь нам лучше понять реальную. Используя суперкомпьютеры Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США в Иллинойсе, ученые создали почти 4 миллиона смоделированных изображений, которые изображают космос так, как его увидят римский космический телескоп НАСА Нэнси Грейс и обсерватория Веры К. Рубин в Чили.
Майкл Троксел, доцент кафедры физики Университета Дьюка в Дареме, Северная Каролина, возглавил кампанию по моделированию в рамках более широкого проекта под названием OpenUniverse. В настоящее время команда публикует подмножество этих данных объемом 10 терабайт, а остальные 390 терабайт появятся осенью, как только они будут обработаны.
«Используя выведенную из эксплуатации сейчас машину Тета в Аргонне, мы примерно за девять дней сделали то, на что на вашем ноутбуке ушло бы около 300 лет», — сказала Катрин Хайтманн, космолог и заместитель директора Аргоннского отдела физики высоких энергий, которая проследила суперкомпьютерную эру руководил проектом.
«Результаты повлияют на будущие попытки Романа и Рубина пролить свет на темную материю и темную энергию, а также дадут другим ученым представление о том, что они могут исследовать, используя данные телескопов».
На этом рисунке показана часть новой модели того, что может увидеть Римский космический телескоп НАСА при запуске. Такое реалистичное моделирование помогает ученым исследовать многие научные области, включая проверку нашего понимания происхождения, эволюции и окончательной судьбы Вселенной. Фото предоставлено: К. Хирата и К. Цао (ОГУ) и Центр космических полетов имени Годдарда НАСА.
Космическая генеральная репетиция
В этом моделировании впервые были учтены характеристики инструментов телескопа. Это наиболее точное изображение космоса, каким его увидят Роман и Рубин, как только начнут наблюдения. «Рубин» начнет работу в 2025 году, а «Роман» НАСА запустится в мае 2027 года.
Точность моделирования важна, потому что ученые будут анализировать будущие данные обсерваторий для поиска крошечных особенностей, которые помогут им раскрыть величайшие тайны космологии.
Роман и Рубин оба будут исследовать темную энергию — загадочную силу, которая, как говорят, ускоряет расширение Вселенной. Поскольку он играет важную роль в управлении космосом, ученые стремятся узнать о нем больше. Моделирование, такое как OpenUniverse, помогает им понять подписи, которые каждый инструмент оставляет на изображениях, и теперь совершенствует методы обработки данных, чтобы они могли правильно расшифровывать будущие данные. Тогда ученые смогут делать важные открытия даже на основе слабых сигналов.
«OpenUniverse позволяет нам калибровать наши ожидания относительно того, что мы можем открыть с помощью этих телескопов», — сказал Джим Чан, научный сотрудник Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США в Менло-Парке, штат Калифорния, который помогает создавать симуляции.
«Это дает нам возможность протестировать наши конвейеры обработки, лучше понять наши коды анализа и точно интерпретировать результаты, чтобы мы могли подготовиться к использованию реальных данных, как только они поступят».
Затем они будут использовать моделирование для изучения физики и эффектов инструментов, которые можно использовать для воспроизведения того, что обсерватории видят во Вселенной.
На этой фотографии изображен ныне выведенный из эксплуатации суперкомпьютер Theta в Аргоннском вычислительном комплексе. Ученые используют суперкомпьютеры для моделирования экспериментов, которые они не могут провести в реальной жизни, например, создания новых вселенных с нуля. Фото предоставлено: Аргоннская национальная лаборатория
Телескопическая командная работа
Для проведения такого масштабного моделирования потребовалась большая и талантливая команда из разных организаций.
«Мало кто в мире обладает достаточной квалификацией, чтобы проводить такое моделирование», — сказала Алина Кисслинг, ученый из Лаборатории реактивного движения НАСА в Южной Калифорнии и ведущий исследователь OpenUniverse. «Это масштабное мероприятие стало возможным только благодаря сотрудничеству между Министерством энергетики, Аргонном, SLAC и НАСА, которое объединило все нужные ресурсы и экспертов».
И проект продвинется еще дальше, когда Роман и Рубин начнут наблюдать за Вселенной.
«Мы будем использовать наблюдения, чтобы сделать наше моделирование еще более точным», — сказал Кисслинг. «Это даст нам лучшее представление об эволюции Вселенной с течением времени и поможет нам лучше понять космологию, которая в конечном итоге сформировала Вселенную».
Эта пара смоделированных изображений показывает ту же область неба, которую видели обсерватория НАСА Веры К. Рубин (слева) и римский космический телескоп Нэнси Грейс (справа). Роман будет делать более глубокие и четкие снимки из космоса, а Рубин будет наблюдать более широкую область неба с земли. Фото предоставлено: Дж. Чанг (SLAC), К. Хирата (ОГУ) и Центр космических полетов имени Годдарда НАСА.
Симуляции Романа и Рубина охватывают один и тот же участок неба, в общей сложности около 0,08 квадратных градусов (это примерно треть площади неба, покрытой полной луной). Полная симуляция, которая будет выпущена позднее в этом году, будет охватывать 70 квадратных градусов, что соответствует площади неба, покрытой 350 полными лунами.
Путем наложения ученые могут научиться использовать лучшие аспекты каждого телескопа — более широкий обзор Рубина и более резкий и глубокий обзор Романа. Такое сочетание даст лучшие ограничения, чем исследователи могли бы получить от одной обсерватории.
«Объединив симуляции так, как мы это сделали, мы сможем провести сравнения и увидеть, как космические исследования Романа помогут улучшить данные наземных исследований Рубина», — сказал Хейтманн. «Мы можем изучить способы отфильтровать несколько объектов, которые сливаются друг с другом на изображениях Рубина, и применить эти исправления к более широкому охвату».
Ученые могут рассмотреть возможность изменения графиков наблюдений или конвейеров обработки данных каждого телескопа, чтобы получить выгоду от их совместного использования.
«Мы добились огромного прогресса в упрощении этих конвейеров и обеспечении их пригодности для использования», — сказал Кисслинг. Партнерство с IRSA (Инфракрасный научный архив) Калифорнийского технологического института/IPAC делает смоделированные данные доступными уже сейчас, так что, когда исследователи получат доступ к реальным данным в будущем, они уже будут знакомы с инструментами. «Теперь мы хотим, чтобы люди начали работать с моделированием, чтобы увидеть, какие улучшения мы можем внести, и подготовиться к максимально эффективному использованию будущих данных».
