Forskere designer falske galakser og mere for at forberede sig på et instrument til himmelkortlægning

At se er at tro, eller sådan siger man.

Og i nogle tilfælde, en verden af ​​forestillinger kan hjælpe dig med at indse, hvad du faktisk ser, også.

Forskere skaber simulerede universer, for eksempel – komplet med mock-ups af mørkt stof, computergenererede galakser, kvasi kvasarer, og pseudo-supernovaer – for bedre at forstå observationer fra den virkelige verden.

Deres mål er at forestille sig, hvordan nye jordbaserede og rumbaserede himmelundersøgelser vil se universet, og for at hjælpe med at analysere og fortolke de enorme skatkammer af data, som disse undersøgelser vil samle.

"Vi vil gerne være i stand til at komme i gang, når vi får rigtige data, " sagde Stephen Bailey, en fysiker ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), som er teknisk leder og leder af datasystemer til et 3-D himmelkortlægningsprojekt kendt som Dark Energy Spectroscopic Instrument, eller DESI, der forventes at begynde at observere i 2019.

Adskillige DESI-hold er ved at bygge separate simuleringer udfyldt med de mange typer objekter, DESI vil støde på. "Hvordan kommer det til at se ud for DESI?" spurgte Bailey. "Hvad er de faktiske spektre, eller lys signatur, at DESI vil observere? Vi skal sikre os, at de falske genstande har de rigtige farver og kemiske overflod."

John Moustakas, en assisterende professor i fysik ved Siena College i New York, som også arbejder på simuleringerne til DESI, tilføjet, "Og det er udfordrende, fordi der ikke findes noget som DESI."

De computeriserede modeller er baseret på observationer fra tidligere undersøgelser og af storskala simuleringer af universet, der tegner sig for kompleks fysik, herunder mørkt stof, en ukendt form for stof, sammen med mørk energi, udgør omkring 95 procent af den samlede masse og energi i universet.

"I videst muligt omfang, simuleringerne er baseret på modeller af virkelige objekter - fra at trække alle disse stykker ud fra andre undersøgelser, " sagde Moustakas. "Måske i en perfekt verden ville disse være rent teoretiske modeller, men vi forstår ikke galakser godt nok til at kunne gøre det."

Og selvom der er data fra tidligere undersøgelser, DESI vil se himlen på en anden måde. "Du skal udtrække alle instrumentdelene fra alle disse andre undersøgelser for at komme til:'Sådan ser andre galakser ud, iboende, " sagde han. Dernæst, han sagde, videnskabsmænd skal finde ud af, hvordan DESI's unikke sæt af instrumenter vil se dem.

De simulerede objekter og universer skabt og forfinet ved hjælp af kraftfulde supercomputere, herunder Berkeley Labs National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), skal i sidste ende tage højde for Jordens atmosfæriske støj, og vejr- og lysforhold inklusive månens faser, som alle påvirker observationer.

DESI vil operere fra Nicholas U. Mayall 4-meter teleskopet ved Kitt Peak National Observatory i Arizona. Det vil måle lyset fra titusinder af galakser og andre objekter med en omhyggeligt koreograferet række af 5, 000 drejelige robotter – hver peger et fiberoptisk kabel mod et målrettet rumobjekt. Robot-arrayet vil cykle gennem en sekvens af objekter, kigger op til 11 milliarder år tilbage i vores univers' historie.

Lyset opfanget af DESI vil give præcise målinger, der vil hjælpe videnskabsmænd med at spore universets udvikling og lære mere om mørk energi, som er ansvarlig for universets mystiske, accelererende ekspansion. Berkeley Lab er det ledende laboratorium for DESI-projektet, og samarbejdet involverer nu omkring 200 videnskabsmænd på 40 institutioner.

Alex Smith, en kandidatstuderende ved Durham University i England og et DESI-samarbejdsmedlem, arbejdet sammen med et team om at udvikle et falsk katalog over galakser til DESI, der udnytter en kraftfuld simulering af, hvordan universets stof har udviklet sig i løbet af de sidste 13 milliarder år.

Udført på Jülich Supercomputer Center i Tyskland, denne Millennium-XXL simulering brugte 12, 000 computerkerner – svarende til omkring 300 års computerbehandlingstid. Det genererede omkring 100 terabyte data, hvilket er næsten lige så mange data som Hubble-rumteleskopet transmitterede i rumbilleder i løbet af dets første 24 års drift.

Det falske galaksekatalog, som Smiths team udviklede, fokuserede på den samme tredjedel af himlen, som DESI vil undersøge. Kataloget viser, hvordan galaksers klyngedannelse og 'rødforskydning' - farven baseret på deres afstand og bevægelse væk fra os - ændrer sig over tid og sandsynligvis vil se ud for DESI.

På grund af kosmisk ekspansion, meget fjerne genstande fremstår rødere og svagere. Tidligere falske kataloger havde ikke taget højde for disse ændringer i rødforskydning, sagde Smith.

"Det er vigtigt at have falske kataloger, der har realistiske egenskaber - som ligner, hvordan vi tror, ​​at den faktiske undersøgelse kommer til at se ud, " han tilføjede.

Hans teams undersøgelse brugte en metode kendt som halo occupation distribution, eller HOD, at modellere det gennemsnitlige antal galakser og deres lysstyrke baseret på Millennium-XXL undersøgelsens detaljerede simuleringer af fordelingen af ​​mørkt stof. I modeller med mørkt stof, stof dannes i klumper af mørkt stof kendt som haloer, og galakser er omsluttet af disse glorier.

Smith bemærkede, at fordelingen af ​​galakser inden for disse glorier, og andre ejendomme inkluderet i det seneste katalog, er taget fra data indsamlet i tidligere undersøgelser, herunder Sloan Digital Sky Survey og Galaxy and Mass Assembly Survey.

Galakserne i kataloget er forenklet til deres lysstyrke, da det vises i et af de bølgelængdebånd, som DESI scanner. Mock-kataloget er også beregnet til at simulere typen af ​​galakser, der vil blive målrettet under himmelforhold, der favoriserer lysere objekter, såsom dem, der eksisterer omkring tidspunkter for solopgange og solnedgange, eller når månen er lysere på himlen, for eksempel. Separate simuleringer vil tage højde for mørkere synsforhold.

"Det falske katalog, jeg lavede, antager, at du kan observere alt med perfekt præcision, "Smith bemærkede, så yderligere egenskaber skal tilføjes for at simulere vejr og andre effekter. DESI-samarbejdet har adgang til et årti med vejrstatistik indsamlet på Kitt Peak National Observatory, sagde Bailey.

Selv efter starten af ​​DESI's undersøgelse, samarbejdsforskere vil fortsætte med at tilpasse og forbedre modellerne.

"Der er en læringskomponent i det, " sagde Moustakas. "Når vi begynder at observere ting, vi vil derefter bruge disse målrettede objekter til at bygge bedre modeller af, hvad disse objekter er."

At stole for meget på simuleringer kan også være et problem, DESI-forskere bemærkede, så observationer vil give et nødvendigt realitetstjek. For eksempel, superlyse objekter kaldet kvasarer, som er blandt målene for DESI, har været særligt svære at simulere.

"Du vil ikke tro for meget på dine simuleringer, fordi naturen er meget hårdere, " sagde Moustakas.

Bailey tilføjede, "Vi opstarter i øjeblikket andre eksperimenter; så starter vi os selv op."

Smith bemærkede, at for at forberede sig til stadigt større undersøgelser, der vil være behov for mere detaljerede og nøjagtige modeller til at tænke over naturen af ​​mørk energi og tyngdekraft, for eksempel.

"At være i stand til at foretage kosmologiske målinger med den krævede høje præcision for at kunne skelne alle disse levedygtige modeller fra hinanden, det er virkelig vigtigt at have flere og mere realistiske mock kataloger, " han sagde.