• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  • Bygg en gigantisk 2D-karta över universum för att förbereda för den största 3D-kartan

    En spiralgalax, visas med Sky Viewer-verktyget på legacysurvey.org/viewer. Sky Viewer använder data från 2D-kartläggningen och från satellitbilder. Kredit:DESI Legacy Imaging Surveys

    Före DESI, det spektroskopiska instrumentet för mörk energi, kan börja sitt 5-åriga uppdrag från en bergstopp i Arizona för att producera den största 3D-himmelkartan hittills, forskare behövde först en ännu större 2D-karta över universum.

    2D-kartan, ihopsatt från 200, 000 teleskopbilder och flera år av satellitdata, saknar information om galaxavstånd, och DESI kommer att tillhandahålla detta och tillhandahålla andra användbara detaljer genom att mäta färgsignaturerna och "rödförskjutningen" av galaxer och kvasarer i sin undersökning. Objekts rödare färger ger tydlig information om deras avstånd från jorden och om hur snabbt de rör sig bort från oss – och detta fenomen är känt som rödförskjutning.

    I slutet, denna 2D-karta över universum är den största någonsin, baserat på det område av himlen som täcks, dess djup i att avbilda svaga föremål, och dess mer än 1 miljard galaxbilder.

    De ambitiösa, 6-årig ansträngning för att ta bilder och sy ihop dem för denna 2D-karta – som involverade 1, 405 observerade nätter vid tre teleskop på två kontinenter och år av data från en rymdsatellit, en uppgraderad kamera för att avbilda otroligt svaga och avlägsna galaxer, 150 observatörer och 50 andra forskare från hela världen. Ansträngningen krävde också 1 petabyte data – tillräckligt för att lagra 1 miljon filmer – och 100 miljoner CPU-timmar vid Berkeley Labs National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC).

    2D-karta sätter scenen för DESI-observationer, med ett mål att lösa mörk energimysterium

    "Detta är den största kartan med nästan alla mått, sa David Schlegel, samprojektforskare för DESI som ledde bildprojektet, känd som DESI Legacy Imaging Surveys. Schlegel är en kosmolog vid det amerikanska energidepartementets Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), som är ledande institution för det internationella DESI-samarbetet.

    Kartan täcker halva himlen, och sprider sig digitalt över 10 biljoner pixlar, vilket motsvarar en mosaik av 833, 000 högupplösta smartphonefoton. DESI-samarbetet har cirka 600 deltagande forskare från 54 institutioner runt om i världen.

    Allmänt tillgänglig på legacysurvey.org/viewer, Sky Viewer-kartan innehåller 2 miljarder objekt - varav mer än hälften är galaxer - och många klickbara filter för att välja från specifika objekttyper eller undersökningar. Vissa av föremålen är individuellt märkta, och tittare kan välja att visa konstellationer, till exempel, och galaxer och kvasarer som kommer att avbildas av DESI. Kvasarer är bland de ljusaste objekten i universum, med supermassiva svarta hål i mitten som avger kraftfulla strålar av materia.

    DESI är utrustad med en uppsättning av 5, 000 svängbar, automatiserade robotar, var och en har en tunn fiberoptisk kabel som kommer att riktas mot enskilda föremål. Dessa kablar kommer att samla ljus från 35 miljoner galaxer och 2,4 miljoner kvasarer under de fem åren av DESI-observationer.

    Det primära syftet med att sammanställa 2D-kartdata är att identifiera dessa galax- och kvasarmål för DESI, som kommer att mäta deras ljus för att fastställa deras rödförskjutning och avstånd. Detta kommer i slutändan att ge nya detaljer om mystisk mörk energi som driver universums accelererande expansion.

    Nathalie Palanque-Delarouille, DESI medtalesman och en kosmolog vid den franska kommissionen för alternativa energier och atomenergi (CEA), noterade att expansionshastigheten har utvecklats, och det finns många obesvarade frågor om förändringarna i denna kurs.

    "Vårt universum hade en överraskande historia, " förklarade hon. "Under den första halvan av sitt liv, dess expansion drevs mest av den mörka materia den innehåller." Mörk materia är okänd materia, utgör 85 procent av all materia i universum och hittills bara observerats indirekt genom dess gravitationseffekter på normal materia.

    "Dock, under de senaste 7 miljarderna åren har expansionen av vårt universum gradvis accelererat under påverkan av en mystisk mörk energi, " tillade hon, "och målet med DESI är att exakt förtydliga denna övergripande bild genom att avslöja vad mörk energi är."

    Palanque-Delabrouille har varit involverad i arbetet med att välja mål för DESI att observera från undersökningarnas data. Hon noterade att DESI kommer att samla ljus från en blandning av galaxer på flera avstånd, inklusive ljusa galaxer som är inom 4 miljarder ljusår från jorden, så kallade röda galaxer som låter oss se tillbaka till 8 miljarder år sedan, mycket unga blå galaxer eller "emission-line" galaxer som kommer att gå längre tillbaka för 10 miljarder år sedan, och slutligen kvasarer, som är så ljusa att de kan ses upp till 12 miljarder ljusår bort.

    "Att ha lyckats samla in och bearbeta dessa bilddata är verkligen en stor bedrift. DESI skulle inte komma någonstans utan så stora bildundersökningar, " Hon sa.

    Programvaran vägleder att observera planen, och standardiserar och syr bilddata

    Att sätta ihop alla DESI-undersökningarnas bilder för att skapa en sömlös himmelkarta var ingen trivial uppgift, Schlegel förklarade. "Ett av målen är att få en riktigt enhetlig bild genom att sy ihop flera observationer, " sa han. "Vi började spridda. Och kameror har luckor – de missar saker. En del av utmaningen här var att planera observationsprogrammet så att du kunde fylla i alla luckor – det var en enorm logistisk utmaning. Du måste se till att det är så homogent som möjligt."

    De tre undersökningarna som omfattar DESI Legacy Imaging Surveys genomförde bildbehandling i tre olika färger, och varje undersökning tog tre separata bilder av samma himmelområden för att säkerställa fullständig täckning. Den här nya, markbaserad bilddata kompletterades också med bilddata från NASA:s Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) satellituppdrag, som samlade rymdbilder i fyra band av infrarött ljus.

    För Legacy Imaging Surveys datainsamling, Schlegel designade en kod, förbättrats med tiden, som hjälpte till att beräkna det bästa tillvägagångssättet och timingen för att ta de bästa bilderna för att helt täcka halva himlen, med tanke på timmar av mörker, väder, exponeringstid, planet- och satellitbanor, och månens ljusstyrka och plats, bland andra variabler.

    Dustin Lang, DESI avbildningsforskare vid Perimeter Institute for Theoretical Physics i Kanada, spelat en nyckelroll i att standardisera all bilddata från mark- och himmelsbaserade undersökningar och sammanfoga dem.

    På vissa bilder, Lang noterade, "himlen kan vara riktigt stabil och lugn, " medan vi en annan natt "kan ha lätta moln eller bara en turbulent atmosfär som orsakar suddighet i bilderna." Hans utmaning:att utveckla programvara som kände igen bra data utan att späda ut den med dålig data. "Vad vi ville tänka på är hur stjärnorna och galaxerna såg ut ovanför atmosfären, " han sa, och att se till att bilderna matchade även när de togs under olika förhållanden.

    Lang skapade "The Tractor, " en så kallad "inferensbaserad" modell av himlen, att jämföra med data för formen och ljusstyrkan hos objekt avbildade av olika undersökningar och för att välja den bästa passformen. Traktorn drog mycket på superdatorresurser vid Berkeley Labs NERSC för att bearbeta Legacy Imaging Surveys data och säkerställa dess kvalitet och konsistens.

    Det var Lang, för, som insåg den potentiella populariteten för visningsverktyget som skapats för bilddata – som var anpassat från gatukarteringsprogramvara – och förde ut det till allmänheten som den interaktiva Sky Viewer-kartan.

    Visningsverktyget, han noterade, användes ursprungligen av DESI-forskare för att kontrollera dataavvikelser i undersökningarnas bilder. Det "förvandlade hur vårt team interagerade med data. Det kändes plötsligt mycket mer verkligt att vi bara kunde scrolla runt himlen och utforska individuella problem med vår data. Det visade sig vara förvånansvärt kraftfullt."

    Avbildningsdata från 3 undersökningar leder till annan vetenskaplig forskning

    Arjun Dey, DESI-projektets forskare för National Science Foundations NOIRLab, som inkluderar Kitt Peak National Observatory-platsen där DESI är beläget, var en stor bidragsgivare till två av de tre bildundersökningarna, tjänstgör som ledande forskare för Mayall z-band Legacy Survey (MzLS) som genomfördes på Kitt Peak, och som co-lead forskare med Schlegel för Dark Energy Camera Legacy Survey (DECaLS) som genomfördes på en NOIRLab-plats i Chile.

    Den tredje DESI-förberedande undersökningen, känd som Beijing-Arizona Sky Survey eller (BASS), genomfördes på Kitt Peak och stöddes av ett internationellt samarbete inklusive den kinesiska vetenskapsakademin och University of Arizona.

    Forskare från Kina gjorde mer än 90 resor till Kitt Peak för att utföra observationer för BASS, som stöddes av ett internationellt samarbete inklusive National Astronomical Observatories of China (NAOC) och University of Arizona. "Ett gemensamt forskarteam på mer än 40 personer från 11 institut i Kina och USA deltog i BASS och bidrog till framgången för denna datarelease, " sa Hu Zou, en astrofysiker vid Key Laboratory of Optical Astronomy i Peking och en co-lead utredare för BASS. "Detta team kommer också att spela en viktig roll i framtiden för DESI-undersökningen och relaterade vetenskaper, " han lade till.

    MzLS-undersökningen, under tiden, innehöll en ombyggd kamera designad för att se det infraröda ljuset som sänds ut av avlägsna, svaga galaxer. Utrustad med fyra stora, ultrakänsliga ljusfångande sensorer, kallas CCD, MzLS undersökningskamera producerade bilder av galaxer 10 gånger svagare än de som tagits i en tidigare undersökning. DESI själv är utrustad med mycket liknande CCD:er som gör att den kan fånga ljus från föremål upp till 12 miljarder ljusår bort, och båda uppsättningarna av CCD:er utvecklades vid Berkeley Lab.

    Den gemensamma ansträngningen av de tre undersökningarna, Dey sa, "var en av de mest enhetliga, djupa undersökningar av himlen som någonsin har genomförts. Det var verkligen spännande att delta."

    Alla rådata från bildundersökningarna har släppts till det vetenskapliga samfundet och allmänheten. Denna slutliga datarelease, känd som Data Release 9 eller DR9, har föregåtts av åtta andra datasläpp. Uppgifterna har redan gett upphov till flera olika forskningsprojekt, including citizen science efforts that utilize the wisdom of crowds.

    Dey, along with 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, till exempel.

    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, which are small, 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."


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com