Byg et gigantisk 2-D-kort over universet for at forberede det største 3-D-kort

Før DESI, det mørke energi spektroskopiske instrument, kan begynde sin 5-årige mission fra en bjergtop i Arizona for at producere det hidtil største 3-D himmelkort, forskere havde først brug for et endnu større 2D-kort over universet.

2D-kortet, sat sammen fra 200,- 000 teleskopbilleder og flere års satellitdata, mangler information om galakseafstande, og DESI vil levere dette og give andre nyttige detaljer ved at måle farvesignaturerne og "rødforskydningen" af galakser og kvasarer i sin undersøgelse. Objekters rødere farver giver tydelige oplysninger om deres afstand fra Jorden og om, hvor hurtigt de bevæger sig væk fra os - og dette fænomen er kendt som rødforskydning.

Til sidst, dette 2-D kort over universet er det største nogensinde, baseret på det område med himmeldækket, dens dybde i billeddannelse af svage genstande, og dets mere end 1 milliard galaksebilleder.

De ambitiøse, 6-årig indsats for at tage billeder og sy dem sammen til dette 2-D-kort – som involverede 1, 405 observerede nætter ved tre teleskoper på to kontinenter og års data fra en rumsatellit, et opgraderet kamera til at afbilde utroligt svage og fjerne galakser, 150 observatører og 50 andre forskere fra hele verden. Indsatsen krævede også 1 petabyte data – nok til at gemme 1 million film – og 100 millioner CPU-timer på Berkeley Labs National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC).

2-D kort sætter scenen for DESI-observationer, med et mål om at løse mørk energi-mysterium

"Dette er det største kort på næsten enhver måde, " sagde David Schlegel, co-projekt videnskabsmand for DESI, der ledede billeddannelsesprojektet, kendt som DESI Legacy Imaging Surveys. Schlegel er kosmolog ved det amerikanske energiministeriums Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), som er ledende institution for det internationale DESI-samarbejde.

Kortet dækker halvdelen af ​​himlen, og spreder sig digitalt over 10 billioner pixels, hvilket svarer til en mosaik af 833, 000 smartphone-billeder i høj opløsning. DESI-samarbejdet har omkring 600 deltagende forskere fra 54 institutioner rundt om i verden.

Offentligt synlig på legacysurvey.org/viewer, Sky Viewer-kortet indeholder 2 milliarder objekter - hvoraf mere end halvdelen er galakser - og adskillige klikbare filtre til at vælge fra specifikke objekttyper eller undersøgelser. Nogle af genstandene er individuelt mærket, og seerne kan vælge at vise konstellationer, for eksempel, og galakser og kvasarer, der vil blive afbildet af DESI. Kvasarer er blandt de lyseste objekter i universet, med supermassive sorte huller i deres centrum, der udsender kraftige stofstråler.

DESI er udstyret med en række af 5, 000 drejelige, automatiserede robotter, hver sammen med et tyndt fiberoptisk kabel, der vil pege på individuelle objekter. Disse kabler vil samle lyset fra 35 millioner galakser og 2,4 millioner kvasarer i løbet af de fem år med DESI-observationer.

Det primære formål med at kompilere 2-D kortdata er at identificere disse galakse- og kvasarmål for DESI, som vil måle deres lys for at lokalisere deres rødforskydning og afstand. Dette vil i sidste ende give nye detaljer om mystisk mørk energi, der driver universets accelererende ekspansion.

Nathalie Palanque-Delarouille, DESI medtalsmand og en kosmolog ved den franske kommission for alternative energier og atomenergi (CEA), bemærkede, at ekspansionshastigheden har udviklet sig, og der er mange ubesvarede spørgsmål om ændringerne i denne kurs.

"Vores univers havde en overraskende historie, " forklarede hun. "I den første halvdel af sit liv, dets ekspansion blev for det meste drevet af det mørke stof, det indeholder." Mørkt stof er ukendt stof, udgør 85 procent af alt stof i universet og indtil videre kun observeret indirekte gennem dets gravitationseffekter på normalt stof.

"Imidlertid, i de sidste 7 milliarder år er udvidelsen af ​​vores univers gradvist accelereret under påvirkning af en mystisk mørk energi, " tilføjede hun, "og målet med DESI er præcist at tydeliggøre dette overordnede billede ved at afsløre, hvad mørk energi er."

Palanque-Delabrouille har været involveret i bestræbelserne på at vælge mål, som DESI kan observere ud fra undersøgelsernes data. Hun bemærkede, at DESI vil samle lys fra en blanding af galakser på flere afstande, inklusive lyse galakser, der er inden for 4 milliarder lysår fra Jorden, såkaldte røde galakser, der giver os mulighed for at se tilbage til 8 milliarder år siden, meget unge blå galakser eller "emission-line" galakser, der vil gå længere tilbage for 10 milliarder år siden, og i sidste ende kvasarer, som er så lyse, at de kan ses op til 12 milliarder lysår væk.

"At have formået at indsamle og behandle disse billeddata er virkelig en stor bedrift. DESI ville ikke komme nogen vegne uden så store billedundersøgelser, " hun sagde.

Software guider til at observere planen, og standardiserer og syr billeddata

At samle alle DESI-undersøgelsernes billeder for at skabe et sømløst himmelkort var ingen triviel opgave, Schlegel forklarede. "Et af målene er at få et virkelig ensartet billede ved at sy flere observationer sammen, " sagde han. "Vi startede med spredebilleder. Og kameraer har huller - de savner ting. En del af udfordringen her var at planlægge observationsprogrammet, så du kunne udfylde alle hullerne – det var en enorm logistisk udfordring. Man skal sørge for, at det er så homogent som muligt."

De tre undersøgelser, der omfatter DESI Legacy Imaging Surveys, udførte billedbehandling i tre forskellige farver, og hver undersøgelse tog tre separate billeder af de samme himmelområder for at sikre fuldstændig dækning. denne nye, jordbaserede billeddata blev også suppleret med billeddata fra NASAs Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) satellitmission, som samlede rumbilleder i fire bånd af infrarødt lys.

For Legacy Imaging Surveys' indsats for at tage data, Schlegel designede en kode, forbedret over tid, som hjalp med at beregne den bedste tilgang og timing til at tage de bedste billeder til fuldstændig at dække halvdelen af ​​himlen, med tanke på timers mørke, vejr, eksponeringstid, planet- og satellitbaner, og månens lysstyrke og placering, blandt andre variabler.

Dustin Lang, DESI billeddannende videnskabsmand ved Perimeter Institute for Theoretical Physics i Canada, spillet en nøglerolle i at standardisere alle billeddata fra jord- og himmelbaserede undersøgelser og sammenføje dem.

På nogle billeder, Lang bemærkede, "himlen kan være virkelig stabil og rolig, " mens vi en anden nat "måske have lette skyer eller bare en turbulent atmosfære, der forårsager sløring i billederne." Hans udfordring:at udvikle software, der genkendte de gode data uden at fortynde dem med de dårlige data. "Hvad vi ville tænke på sådan så stjernerne og galakserne ud over atmosfæren, " han sagde, og for at sikre, at billederne matcher, selv når de er taget under forskellige forhold.

Lang skabte "Traktoren, "en såkaldt "inferensbaseret" model af himlen, at sammenligne med data for formen og lysstyrken af ​​objekter afbildet af forskellige undersøgelser og for at vælge den bedste pasform. Traktoren trak i høj grad på supercomputerressourcer på Berkeley Labs NERSC for at behandle Legacy Imaging Surveys' data og sikre deres kvalitet og konsistens.

Det var Lang, også, som anerkendte den potentielle popularitet af visningsværktøjet, der blev skabt til billeddataene - som blev tilpasset fra street-mapping-software - og bragte det til offentligheden som det interaktive Sky Viewer-kort.

Visningsværktøjet, han bemærkede, blev oprindeligt brugt af DESI-forskere til at kontrollere data-uoverensstemmelser i undersøgelsernes billeder. Det "forvandlede den måde, vores team interagerede med dataene. Det føltes pludselig meget mere virkeligt, at vi bare kunne rulle rundt i himlen og udforske individuelle problemer med vores data. Det viste sig at være overraskende kraftfuldt."

Billeddata fra 3 undersøgelser danner grundlag for anden videnskabelig forskning

Arjun Dey, DESI-projektets videnskabsmand for National Science Foundations NOIRLab, som omfatter Kitt Peak National Observatory-stedet, hvor DESI er beliggende, var en stor bidragyder til to af de tre billedundersøgelser, fungerede som ledende videnskabsmand for Mayall z-band Legacy Survey (MzLS) udført på Kitt Peak, og som co-lead videnskabsmand med Schlegel for Dark Energy Camera Legacy Survey (DECaLS) udført på et NOIRLab-sted i Chile.

Den tredje DESI-forberedende undersøgelse, kendt som Beijing-Arizona Sky Survey eller (BASS), blev gennemført på Kitt Peak og støttet af et internationalt samarbejde, herunder det kinesiske videnskabsakademi og University of Arizona.

Forskere fra Kina foretog mere end 90 ture til Kitt Peak for at udføre observationer for BASS, som blev støttet af et internationalt samarbejde, herunder National Astronomical Observatories of China (NAOC) og University of Arizona. "Et fælles forskerhold på mere end 40 personer fra 11 institutter i Kina og USA deltog i BASS og bidrog til succesen med denne datafrigivelse, " sagde Hu Zou, en astrofysiker ved Key Laboratory of Optical Astronomy i Beijing og en co-lead investigator for BASS. "Dette hold vil også spille en vigtig rolle i fremtiden for DESI-undersøgelsen og relaterede videnskaber, " han tilføjede.

MzLS-undersøgelsen, i mellemtiden, indeholdt et ombygget kamera designet til at se det infrarøde lys, der udsendes af fjerne, svage galakser. Udstyret med fire store, ultrafølsomme lysfangende sensorer, kaldet CCD'er, MzLS-undersøgelseskameraet producerede billeder af galakser 10 gange svagere end dem, der blev udtaget i en tidligere undersøgelse. DESI selv er udstyret med meget lignende CCD'er, der gør det muligt at fange lys fra objekter op til 12 milliarder lysår væk, og begge sæt CCD'er blev udviklet på Berkeley Lab.

Den kollektive indsats af de tre undersøgelser, Dey sagde, "var en af ​​de mest ensartede, dybe undersøgelser af himlen, der nogensinde er blevet foretaget. Det var rigtig spændende at deltage."

Alle de rå data fra billedundersøgelserne er blevet frigivet til det videnskabelige samfund og offentligheden. Denne endelige dataudgivelse, kendt som Data Release 9 eller DR9, er gået forud for otte andre dataudgivelser. Dataene har allerede affødt adskillige forskellige forskningsprojekter, herunder borgervidenskabelige indsatser, der udnytter skarernes visdom.

Dey, sammen med Schlegel, is a part of a research effort that uses a machine-learning algorithm to automatically identify light-bending phenomena known as gravitational lenses in the DESI surveys data, for eksempel.

Aaron Meisner, a NOIRLab researcher and DESI participant, is also involved in the lensing study and in a citizen science project called Backyard Worlds:Planet 9, which calls for the general public's help in finding a possible ninth planet in our solar system by studying space images. Participants have already found numerous new brown dwarfs, som er små, cold stars unable to sustain fusion burn.

Galaxy Zoo, another citizen science project, opens up DESI's DECaLS survey data to the public to get help with galaxy classifications.

"The imaging data provides a deep resource that is essential to carry out DESI's unique mission while giving the scientific community access to an extraordinary dataset, " said DESI Director Michael Levi, a senior scientist at Berkeley Lab. "We look forward to using these imaging data to yield new clues and reveal the secrets of our expanding universe."