Wissenschaftler haben eine gigantische synthetische Untersuchung erstellt, die zeigt, was wir von den zukünftigen Beobachtungen des römischen Weltraumteleskops Nancy Grace erwarten können. Obwohl sie nur einen kleinen Teil der realen Zukunftsdurchmusterung darstellt, enthält diese simulierte Version eine erstaunliche Anzahl von Galaxien – 33 Millionen davon, zusammen mit 200.000 Vordergrundsternen in unserer Heimatgalaxie.
Die Simulation wird Wissenschaftlern dabei helfen, die besten Beobachtungsstrategien zu planen, verschiedene Wege zu testen, um die riesigen Datenmengen der Mission auszuwerten, und zu erforschen, was wir aus Tandem-Beobachtungen mit anderen Teleskopen lernen können.
„Das Datenvolumen, das Roman zurückgeben wird, ist für ein Weltraumteleskop beispiellos“, sagte Michael Troxel, Assistenzprofessor für Physik an der Duke University in Durham, North Carolina. „Unsere Simulation ist ein Testgelände, mit dem wir sicherstellen können, dass wir das Beste aus den Beobachtungen der Mission herausholen.“
Das Team zog Daten aus einem Scheinuniversum, das ursprünglich entwickelt wurde, um die wissenschaftliche Planung mit dem Vera C. Rubin-Observatorium zu unterstützen, das sich in Chile befindet und 2024 den vollen Betrieb aufnehmen soll. Da die Roman- und Rubin-Simulationen dieselbe Quelle verwenden, können Astronomen vergleichen sie und sehen, was sie von der Paarung der Beobachtungen der Teleskope lernen können, sobald beide aktiv das Universum scannen.
Ein Papier, das die Ergebnisse unter der Leitung von Troxel beschreibt, wurde zur Veröffentlichung angenommen in Die monatlichen Mitteilungen der Royal Astronomical Society.
Dieses Video zeigt zunächst die am weitesten entfernten Galaxien im simulierten Deep-Field-Bild in Rot. Beim Herauszoomen werden dem Bild Schichten von näheren (gelben und weißen) Galaxien hinzugefügt. Durch die Untersuchung verschiedener kosmischer Epochen wird Roman in der Lage sein, die Expansionsgeschichte des Universums nachzuvollziehen, zu untersuchen, wie sich Galaxien im Laufe der Zeit entwickelt haben, und vieles mehr. Bildnachweis: Caltech-IPAC/R. Hurt und M. Troxel
Kosmische Konstruktion
Romans High Latitude Wide Area Survey wird sowohl aus Bildgebung – dem Schwerpunkt der neuen Simulation – als auch aus Spektroskopie über denselben riesigen Bereich des Universums bestehen. Bei der Spektroskopie wird die Intensität des Lichts von kosmischen Objekten bei verschiedenen Wellenlängen gemessen, während Romans Bildgebung genaue Positionen und Formen von Hunderten Millionen schwacher Galaxien enthüllen wird, die zur Kartierung dunkler Materie verwendet werden. Obwohl diese mysteriöse Substanz unsichtbar ist, können Astronomen auf ihre Anwesenheit schließen, indem sie ihre Auswirkungen auf normale Materie beobachten.
Alles mit Masse verzerrt das Gewebe der Raumzeit. Je größer die Masse, desto größer die Verwerfung. Dies erzeugt einen Effekt namens Gravitationslinseneffekt, der auftritt, wenn Licht von einer entfernten Quelle verzerrt wird, wenn es an dazwischenliegenden Objekten vorbeiläuft. Wenn es sich bei diesen Linsenobjekten um massive Galaxien oder Galaxienhaufen handelt, können Hintergrundquellen verschmiert werden oder als mehrere Bilder erscheinen.
Weniger massive Objekte können subtilere Effekte erzeugen, die als schwache Linsen bezeichnet werden. Roman wird empfindlich genug sein, um schwache Linsen zu verwenden, um zu sehen, wie Klumpen dunkler Materie das Erscheinungsbild entfernter Galaxien verzerren. Durch die Beobachtung dieser Linseneffekte werden Wissenschaftler in der Lage sein, weitere Lücken in unserem Verständnis der Dunklen Materie zu schließen.
„Theorien zur Bildung kosmischer Strukturen machen Vorhersagen darüber, wie die Samenfluktuationen im frühen Universum in die Verteilung der Materie hineinwachsen, die durch Gravitationslinsen sichtbar wird“, sagte Chris Hirata, Physikprofessor an der Ohio State University in Columbus, und ein Co- Autor des Papiers.
„Aber die Vorhersagen sind statistischer Natur, also testen wir sie, indem wir weite Regionen des Kosmos beobachten. Roman mit seinem weiten Sichtfeld wird optimiert, um den Himmel effizient zu vermessen und damit Observatorien wie das James-Webb-Weltraumteleskop zu ergänzen zur tieferen Untersuchung einzelner Objekte konzipiert.“
Boden und Raum
Die synthetische römische Vermessung deckt 20 Quadratgrad des Himmels ab, was ungefähr 95 Vollmonden entspricht. Die tatsächliche Durchmusterung wird 100-mal größer sein und mehr als eine Milliarde Galaxien enthüllen. Rubin wird ein noch größeres Gebiet scannen – 18.000 Quadratgrad, fast die Hälfte des gesamten Himmels – aber mit geringerer Auflösung, da es durch die turbulente Atmosphäre der Erde blicken muss.
Diese Animation zeigt die Art der Wissenschaft, die Astronomen mit zukünftigen römischen Tieffeldbeobachtungen durchführen können. Die Schwerkraft dazwischenliegender Galaxienhaufen und dunkler Materie kann das Licht von weiter entfernten Objekten lenken und ihr Aussehen verzerren, wie in der Animation gezeigt. Durch die Untersuchung des verzerrten Lichts können Astronomen schwer fassbare dunkle Materie untersuchen, die nur indirekt durch ihre Gravitationswirkung auf sichtbare Materie gemessen werden kann. Als Bonus macht es diese Linse auch einfacher, die entferntesten Galaxien zu sehen, deren Licht sie vergrößern. Bildnachweis: Caltech-IPAC/R. Schmerzen
Die Paarung der Roman- und Rubin-Simulationen bietet Wissenschaftlern die erste Gelegenheit, zu versuchen, dieselben Objekte in beiden Bildsätzen zu erkennen. Das ist wichtig, weil bodengestützte Beobachtungen nicht immer scharf genug sind, um mehrere nahe Quellen als separate Objekte zu unterscheiden. Manchmal verschwimmen sie miteinander, was sich auf schwache Linsenmessungen auswirkt. Jetzt können Wissenschaftler die Schwierigkeiten und Vorteile des „Deblending“ solcher Objekte in Rubin-Bildern bestimmen, indem sie sie mit römischen vergleichen.
Mit Romans kolossaler kosmischer Sichtweise werden Astronomen in der Lage sein, weit mehr als die Hauptziele der Umfrage zu erreichen, die darin bestehen, die Struktur und Entwicklung des Universums zu untersuchen, dunkle Materie zu kartieren und zwischen den führenden Theorien zu unterscheiden, die versuchen zu erklären, warum die Expansion von das Universum beschleunigt sich. Wissenschaftler können die neuen simulierten römischen Daten durchkämmen, um einen Vorgeschmack auf die zusätzliche Wissenschaft zu bekommen, die entsteht, wenn man so viel vom Universum in so exquisiten Details sieht.
„Mit Romans gigantischem Sichtfeld erwarten wir viele verschiedene wissenschaftliche Möglichkeiten, aber wir müssen auch lernen, das Unerwartete zu erwarten“, sagte Julie McEnery, die leitende Projektwissenschaftlerin für die römische Mission am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland . „Die Mission wird dazu beitragen, kritische Fragen in der Kosmologie zu beantworten, während sie möglicherweise brandneue Rätsel aufdeckt, die wir lösen können.“
Mehr Informationen:
Michael Troxel et al., A Joint Roman Space Telescope and Rubin Observatory Synthetic Wide-Field Imaging Survey, Die monatlichen Mitteilungen der Royal Astronomical Society (2023). DOI: 10.1093/mnras/stad664. An arXiv:
doi.org/10.48550/arXiv.2209.06829