Astronomen haben eine Reihe von mehr als einer Million simulierten Bildern veröffentlicht, die den Kosmos so zeigen, wie ihn das kommende römische Weltraumteleskop Nancy Grace der NASA sehen wird. Diese Vorschau wird Wissenschaftlern dabei helfen, die unzähligen wissenschaftlichen Ziele von Roman zu erkunden.
„Wir haben einen Supercomputer verwendet, um ein synthetisches Universum zu erschaffen und Milliarden von Jahren der Evolution zu simulieren, indem wir den Weg jedes Photons von jedem kosmischen Objekt bis zu Romans Detektoren verfolgt haben“, sagte Michael Troxel, außerordentlicher Professor für Physik an der Duke University in Durham, North Carolina, die die Simulationskampagne leitete. „Dies ist die größte, tiefgreifendste und realistischste synthetische Untersuchung eines Scheinuniversums, die derzeit verfügbar ist.“
Das Projekt heißt OpenUniverseverließ sich auf den inzwischen ausgemusterten Theta-Supercomputer im Argonne National Laboratory des DOE (Department of Energy) in Illinois. In nur neun Tagen führte der Supercomputer einen Prozess durch, der auf einem typischen Computer über 6.000 Jahre dauern würde.
Zusätzlich zu Roman wird der 400 Terabyte große Datensatz auch eine Vorschau der Beobachtungen des Vera C. Rubin-Observatoriums und ungefähre Simulationen der Euclid-Mission der ESA (der Europäischen Weltraumorganisation) enthalten, an der die NASA beteiligt ist. Die römischen Daten sind jetzt hier verfügbar, und die Rubin- und Euklid-Daten werden bald folgen.
Das Team nutzte die fortschrittlichste verfügbare Modellierung der zugrunde liegenden Physik des Universums und speiste Informationen aus bestehenden Galaxienkatalogen und der Leistung der Instrumente der Teleskope ein. Die resultierenden simulierten Bilder umfassen 70 Quadratgrad, was einer Himmelsfläche entspricht, die von mehr als 300 Vollmonden bedeckt ist. Es deckt nicht nur ein weites Gebiet ab, sondern deckt auch einen großen Zeitraum ab – mehr als 12 Milliarden Jahre.
Dieses Video beginnt mit einem winzigen, ein Quadratgrad großen Teil des gesamten OpenUniverse-Simulationsbereichs (ungefähr 70 Quadratgrad, was einer Himmelsfläche entspricht, die von mehr als 300 Vollmonden bedeckt ist). Es fliegt spiralförmig auf eine besonders galaxiendichte Region zu und zoomt um den Faktor 75. Diese Simulation zeigt den Kosmos, wie ihn das Nancy Grace Roman Space Telescope der NASA sehen konnte, und ermöglicht Wissenschaftlern schon jetzt einen Ausblick auf die nächste Generation kosmischer Entdeckungen. Romans reale zukünftige Durchmusterungen werden ein tiefes Eintauchen in das Universum mit hochaufgelösten Bildern ermöglichen, wie in diesem Video gezeigt. Bildnachweis: Goddard Space Flight Center der NASA und M. Troxel
Die immense Raum-Zeit-Abdeckung des Projekts zeigt Wissenschaftlern, wie die Teleskope ihnen bei der Erforschung einiger der größten kosmischen Geheimnisse helfen werden. Sie werden in der Lage sein zu untersuchen, wie dunkle Energie (die mysteriöse Kraft, von der angenommen wird, dass sie die Expansion des Universums beschleunigt) und dunkle Materie (unsichtbare Materie, die nur durch ihren gravitativen Einfluss auf normale Materie sichtbar ist) den Kosmos formen und sein Schicksal beeinflussen.
Wissenschaftler werden dem Verständnis der Dunklen Materie näher kommen, indem sie ihre Gravitationseffekte auf sichtbare Materie untersuchen. Durch die Untersuchung der 100 Millionen synthetischen Galaxien der Simulation werden sie sehen, wie sich Galaxien und Galaxienhaufen über Äonen entwickelt haben.
Durch wiederholte Scheinbeobachtungen eines bestimmten Teils des Universums konnte das Team Filme zusammenstellen, die explodierende Sterne enthüllen, die wie ein Feuerwerk über den synthetischen Kosmos knistern. Diese Starbursts ermöglichen es Wissenschaftlern, die Ausdehnung des simulierten Universums abzubilden.
Wissenschaftler verwenden nun OpenUniverse-Daten als Testumgebung für die Erstellung eines Warnsystems, um Astronomen zu benachrichtigen, wenn Roman solche Phänomene sieht. Das System markiert diese Ereignisse und verfolgt das von ihnen erzeugte Licht, damit Astronomen sie untersuchen können.
Das ist entscheidend, denn Roman wird viel zu viele Daten zurücksenden, als dass Wissenschaftler sie selbst durchforsten könnten. Teams entwickeln Algorithmen für maschinelles Lernen, um zu bestimmen, wie alle Daten am besten gefiltert werden können, um kosmische Phänomene wie verschiedene Arten explodierender Sterne zu finden und zu unterscheiden.
Diese synthetische OpenUniverse-Animation zeigt die Art von Wissenschaft, die Astronomen mit zukünftigen römischen Tieffeldbeobachtungen betreiben können. Die Schwerkraft dazwischenliegender Galaxienhaufen und dunkler Materie kann das Licht von weiter entfernten Objekten bündeln und deren Aussehen verzerren, wie in der Animation gezeigt. Durch die Untersuchung des verzerrten Lichts können Astronomen schwer fassbare dunkle Materie untersuchen, die nur indirekt über ihre Gravitationswirkung auf sichtbare Materie gemessen werden kann. Als Bonus erleichtert diese Linse auch die Sicht auf die am weitesten entfernten Galaxien, deren Licht durch die Dunkle Materie verstärkt wird. Bildnachweis: Caltech-IPAC/R. Verletzt
„Die größte Schwierigkeit besteht darin, herauszufinden, ob es sich bei dem, was man gesehen hat, um eine spezielle Art von Supernova handelte, mit der wir kartieren können, wie sich das Universum ausdehnt, oder um etwas, das fast identisch, aber für dieses Ziel nutzlos ist“, sagte Alina Kiessling, eine Forscherin Wissenschaftler am Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA in Südkalifornien und leitender Forscher von OpenUniverse.
Während Euclid den Kosmos bereits aktiv scannt, soll Rubin Ende dieses Jahres seinen Betrieb aufnehmen und Roman im Mai 2027 starten. Wissenschaftler können die synthetischen Bilder nutzen, um die Beobachtungen der kommenden Teleskope zu planen und sich auf den Umgang mit ihren Daten vorzubereiten. Diese Vorbereitungszeit ist aufgrund der Datenflut, die diese Teleskope liefern werden, von entscheidender Bedeutung.
Was das Datenvolumen angeht, „wird Roman alles in den Schatten stellen, was bisher im Infrarot- und optischen Wellenlängenbereich aus dem Weltraum gemacht wurde“, sagte Troxel. „Für eine von Romans Durchmusterungen wird es weniger als ein Jahr dauern, um Beobachtungen durchzuführen, für die die Weltraumteleskope Hubble oder James Webb etwa tausend Jahre brauchen würden. Die schiere Anzahl der Objekte, die Roman scharf abbilden wird, wird transformativ sein.“
„Wir können von Romans Beobachtungen eine unglaubliche Vielfalt an spannenden, möglicherweise mit dem Nobelpreis ausgezeichneten wissenschaftlichen Erkenntnissen erwarten“, sagte Kiessling. „Die Mission wird Dinge wie enthüllen, wie sich das Universum im Laufe der Zeit ausgedehnt hat, 3D-Karten von Galaxien und Galaxienhaufen erstellen, neue Details über Sternentstehung und -entwicklung enthüllen – alles Dinge, die wir simuliert haben. Jetzt können wir also mit den synthetischen Daten üben, damit wir.“ kann direkt zur Wissenschaft gelangen, wenn echte Beobachtungen beginnen.
Astronomen werden die Simulationen nach dem Start von Roman weiterhin für ein kosmisches Spiel zum Erkennen der Unterschiede nutzen. Durch den Vergleich realer Beobachtungen mit synthetischen Beobachtungen können Wissenschaftler erkennen, wie genau ihre Simulation die Realität vorhersagt. Etwaige Unstimmigkeiten könnten darauf hindeuten, dass im Universum eine andere Physik im Spiel ist als erwartet.
„Wenn wir etwas sehen, das nicht ganz mit dem Standardmodell der Kosmologie übereinstimmt, ist es äußerst wichtig zu bestätigen, dass wir wirklich neue Physik sehen und nicht nur etwas in den Daten falsch verstehen“, sagte Katrin Heitmann, Kosmologin und Wissenschaftlerin stellvertretender Direktor der Hochenergiephysik-Abteilung von Argonne, der die Supercomputerzeit des Projekts verwaltete. „Simulationen sind super nützlich, um das herauszufinden.“