Wissenschaftler des Jet Propulsion Laboratory der NASA haben an einem Projekt mitgewirkt, das die Grundlage für zwei Teleskope schafft, die eines der größten Rätsel der Astrophysik untersuchen sollen.
Forscher tauchen in ein synthetisches Universum ein, um uns zu helfen, das echte besser zu verstehen. Mithilfe von Supercomputern im Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums in Illinois haben Wissenschaftler fast 4 Millionen simulierte Bilder erstellt, die den Kosmos so darstellen, wie ihn das Nancy Grace Roman Space Telescope der NASA und das Vera C. Rubin Observatory in Chile sehen werden.
Michael Troxel, außerordentlicher Professor für Physik an der Duke University in Durham, North Carolina, leitete die Simulationskampagne im Rahmen eines umfassenderen Projekts namens OpenUniverse. Das Team veröffentlicht nun eine 10 Terabyte große Teilmenge dieser Datendie restlichen 390 Terabyte sollen nach der Verarbeitung im Herbst folgen.
„Mithilfe der inzwischen außer Betrieb genommenen Theta-Maschine von Argonne haben wir in etwa neun Tagen geschafft, was auf Ihrem Laptop rund 300 Jahre gedauert hätte“, sagte Katrin Heitmann, Kosmologin und stellvertretende Direktorin der Abteilung für Hochenergiephysik von Argonne, die die Supercomputerzeit des Projekts verwaltete.
„Die Ergebnisse werden Romans und Rubins zukünftige Versuche, dunkle Materie und dunkle Energie zu beleuchten, prägen und gleichzeitig anderen Wissenschaftlern eine Vorschau auf die Dinge bieten, die sie mithilfe der Daten der Teleskope erforschen können.“
Eine kosmische Generalprobe
Bei dieser Simulation wurde zum ersten Mal die Leistung der Instrumente der Teleskope berücksichtigt. Damit ist sie die bisher genaueste Vorschau auf den Kosmos, wie ihn Roman und Rubin sehen werden, sobald sie mit der Beobachtung beginnen. Rubin wird 2025 seinen Betrieb aufnehmen und NASAs Roman wird im Mai 2027 starten.
Die Präzision der Simulation ist wichtig, da die Wissenschaftler die zukünftigen Daten der Observatorien nach winzigen Merkmalen durchforsten werden, die ihnen helfen werden, die größten Geheimnisse der Kosmologie zu entschlüsseln.
Roman und Rubin werden beide die dunkle Energie erforschen – die geheimnisvolle Kraft, die die Expansion des Universums beschleunigen soll. Da sie eine wichtige Rolle bei der Steuerung des Kosmos spielt, möchten Wissenschaftler unbedingt mehr über sie erfahren. Simulationen wie OpenUniverse helfen ihnen, die Signaturen zu verstehen, die jedes Instrument in die Bilder einprägt, und verbessern jetzt die Datenverarbeitungsmethoden, damit sie zukünftige Daten richtig entschlüsseln können. Dann werden Wissenschaftler in der Lage sein, selbst aus schwachen Signalen große Entdeckungen zu machen.
„OpenUniverse ermöglicht es uns, unsere Erwartungen hinsichtlich dessen, was wir mit diesen Teleskopen entdecken können, zu kalibrieren“, sagte Jim Chiang, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter am SLAC National Accelerator Laboratory des DOE in Menlo Park, Kalifornien, der an der Erstellung der Simulationen beteiligt war.
„Es gibt uns die Möglichkeit, unsere Verarbeitungs-Pipelines zu testen, unsere Analysecodes besser zu verstehen und die Ergebnisse präzise zu interpretieren, sodass wir uns darauf vorbereiten können, die Echtdaten sofort zu verwenden, sobald sie eintreffen.“
Anschließend werden sie mithilfe von Simulationen die Physik und Instrumenteneffekte erforschen, mit denen sich das, was die Observatorien im Universum sehen, reproduzieren lässt.
Teleskopische Teamarbeit
Um eine derart umfangreiche Simulation durchzuführen, war ein großes und talentiertes Team aus mehreren Organisationen nötig.
„Nur wenige Menschen auf der Welt sind qualifiziert genug, um diese Simulationen durchzuführen“, sagte Alina Kiessling, eine Wissenschaftlerin am Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien und die leitende Forscherin von OpenUniverse. „Dieses gewaltige Unterfangen war nur dank der Zusammenarbeit zwischen dem DOE, Argonne, SLAC und der NASA möglich, die alle richtigen Ressourcen und Experten zusammenbrachten.“
Und das Projekt wird noch weiter vorangetrieben, sobald Roman und Rubin mit der Beobachtung des Universums beginnen.
„Wir werden die Beobachtungen nutzen, um unsere Simulationen noch genauer zu machen“, sagte Kiessling. „Das wird uns einen besseren Einblick in die Entwicklung des Universums im Laufe der Zeit geben und uns helfen, die Kosmologie, die das Universum letztlich geformt hat, besser zu verstehen.“
Die Roman- und Rubin-Simulationen decken den gleichen Himmelsausschnitt ab, insgesamt etwa 0,08 Quadratgrad (das entspricht etwa einem Drittel der Himmelsfläche, die ein Vollmond bedeckt). Die vollständige Simulation, die später in diesem Jahr veröffentlicht wird, wird 70 Quadratgrad umfassen, etwa die Himmelsfläche, die 350 Vollmonde bedecken.
Durch die Überlagerung können Wissenschaftler lernen, die besten Aspekte jedes Teleskops zu nutzen – Rubins breitere Sicht und Romans schärfere, tiefere Sicht. Die Kombination wird bessere Einschränkungen ergeben, als Forscher von einem Observatorium allein erhalten könnten.
„Indem wir die Simulationen so verbinden, wie wir es getan haben, können wir Vergleiche anstellen und sehen, wie Romans weltraumgestützte Untersuchung dazu beitragen wird, die Daten von Rubins bodengestützter Untersuchung zu verbessern“, sagte Heitmann. „Wir können Möglichkeiten erkunden, mehrere Objekte herauszufiltern, die in Rubins Bildern ineinander übergehen, und diese Korrekturen auf die breitere Abdeckung anwenden.“
Wissenschaftler können eine Änderung der Beobachtungspläne oder Datenverarbeitungspipelines der einzelnen Teleskope in Erwägung ziehen, um von der kombinierten Nutzung beider zu profitieren.
„Wir haben enorme Fortschritte dabei gemacht, diese Pipelines zu vereinfachen und nutzbar zu machen“, sagte Kiessling. Eine Partnerschaft mit dem IRSA (Infrared Science Archive) von Caltech/IPAC macht simulierte Daten jetzt zugänglich, sodass Forscher, wenn sie in Zukunft auf echte Daten zugreifen, bereits mit den Tools vertraut sind. „Jetzt möchten wir, dass die Leute anfangen, mit den Simulationen zu arbeiten, um zu sehen, welche Verbesserungen wir erzielen können, und sich darauf vorzubereiten, die zukünftigen Daten so effektiv wie möglich zu nutzen.“