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    Construindo um mapa 2-D gigante do universo para se preparar para o maior mapa 3-D

    Uma galáxia espiral, visualizado com a ferramenta Sky Viewer em legacysurvey.org/viewer. O Sky Viewer usa dados do esforço de mapeamento 2D e de imagens de satélite. Crédito:DESI Legacy Imaging Surveys

    Antes do DESI, o instrumento espectroscópico de energia escura, pode começar sua missão de 5 anos no topo de uma montanha do Arizona para produzir o maior mapa do céu em 3-D já feito, os pesquisadores primeiro precisavam de um mapa 2-D ainda maior do universo.

    O mapa 2-D, reunidos a partir de 200, 000 imagens de telescópio e vários anos de dados de satélite, carece de informações sobre distâncias de galáxias, e DESI fornecerá isso e fornecerá outros detalhes úteis medindo as assinaturas de cores e "redshift" de galáxias e quasares em seu levantamento. As cores mais vermelhas dos objetos fornecem informações reveladoras sobre sua distância da Terra e sobre a rapidez com que se afastam de nós - e esse fenômeno é conhecido como redshift.

    No fim, este mapa 2-D do universo é o maior de todos os tempos, com base na área do céu coberta, sua profundidade na imagem de objetos tênues, e suas mais de 1 bilhão de imagens de galáxias.

    O ambicioso, Esforço de 6 anos para capturar imagens e costurá-las para este mapa 2-D, que envolveu 1, 405 noites de observação em três telescópios em dois continentes e anos de dados de um satélite espacial, uma câmera atualizada para imagens de galáxias incrivelmente tênues e distantes, 150 observadores e 50 outros pesquisadores de todo o mundo. O esforço também exigiu 1 petabyte de dados - o suficiente para armazenar 1 milhão de filmes - e 100 milhões de horas de CPU no Centro Nacional de Pesquisa Científica de Pesquisa Energética (NERSC) do Berkeley Lab.

    O mapa 2-D prepara o terreno para observações DESI, com o objetivo de resolver o mistério da energia escura

    "Este é o maior mapa em quase todas as medidas, "disse David Schlegel, co-cientista do projeto para DESI que liderou o projeto de imagem, conhecido como DESI Legacy Imaging Surveys. Schlegel é cosmólogo do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (Berkeley Lab), que é a instituição líder para a colaboração internacional DESI.

    O mapa cobre metade do céu, e se espalha digitalmente por mais de 10 trilhões de pixels, que equivale a um mosaico de 833, 000 fotos de smartphone de alta resolução. A colaboração DESI tem cerca de 600 cientistas participantes de 54 instituições em todo o mundo.

    Disponível publicamente em legacysurvey.org/viewer, o mapa do Sky Viewer inclui 2 bilhões de objetos - mais da metade dos quais são galáxias - e vários filtros clicáveis ​​para selecionar tipos de objetos específicos ou pesquisas. Alguns dos objetos são identificados individualmente, e os visualizadores podem escolher exibir constelações, por exemplo, e galáxias e quasares que serão fotografados por DESI. Os quasares estão entre os objetos mais brilhantes do universo, com buracos negros supermassivos em seu centro que emitem poderosos jatos de matéria.

    DESI é equipado com uma matriz de 5, 000 girando, robôs automatizados, cada um carregando um fino cabo de fibra óptica que será apontado para objetos individuais. Esses cabos coletarão a luz de 35 milhões de galáxias e 2,4 milhões de quasares durante os cinco anos de observações do DESI.

    O objetivo principal de compilar os dados do mapa 2-D é identificar esses alvos de galáxias e quasares para DESI, que medirá sua luz para identificar seu desvio para o vermelho e distância. Isso acabará por fornecer novos detalhes sobre a misteriosa energia escura que está impulsionando a expansão acelerada do universo.

    Nathalie Palanque-Delabrouille, Co-porta-voz do DESI e cosmologista da Comissão Francesa de Energias Alternativas e Energia Atômica (CEA), observou que a taxa de expansão evoluiu, e há muitas perguntas sem resposta sobre as mudanças nessa taxa.

    “Nosso universo teve uma história surpreendente, "ela explicou." Durante a primeira metade de sua vida, sua expansão foi impulsionada principalmente pela matéria escura que contém. "A matéria escura é matéria desconhecida, constituindo 85 por cento de toda a matéria no universo e até agora apenas observada indiretamente por meio de seus efeitos gravitacionais na matéria normal.

    "Contudo, nos últimos 7 bilhões de anos, a expansão do nosso universo tem se acelerado gradualmente sob a influência de uma misteriosa energia escura, " ela adicionou, "e o objetivo do DESI é esclarecer precisamente esse quadro geral, revelando o que é a energia escura."

    Palanque-Delabrouille esteve envolvido no esforço de escolher alvos para o DESI observar a partir dos dados das pesquisas. Ela notou que o DESI coleta luz de uma mistura de galáxias a várias distâncias, incluindo galáxias brilhantes que estão a 4 bilhões de anos-luz da Terra, as chamadas galáxias vermelhas que nos permitem ver 8 bilhões de anos atrás, galáxias azuis muito jovens ou galáxias de "linha de emissão" que retrocederão 10 bilhões de anos atrás, e, finalmente, quasares, que são tão brilhantes que podem ser vistos a até 12 bilhões de anos-luz de distância.

    "Ter conseguido coletar e processar esses dados de imagem é realmente uma grande conquista. O DESI não estaria chegando a lugar nenhum sem essas grandes pesquisas de imagem, " ela disse.

    Guia de software observando o plano, e padroniza e une os dados de imagem

    Juntar todas as imagens das pesquisas DESI para criar um mapa do céu contínuo não foi uma tarefa trivial, Schlegel explicou. "Um dos objetivos é obter uma imagem realmente uniforme juntando várias observações, "disse ele." Começamos dispersos. E as câmeras têm lacunas - elas perdem coisas. Parte do desafio aqui foi planejar o programa de observação para que você pudesse preencher todas as lacunas - isso foi um grande desafio logístico. Você tem que ter certeza de que é o mais homogêneo possível. "

    As três pesquisas que compõem o DESI Legacy Imaging Surveys realizaram imagens em três cores diferentes, e cada pesquisa obteve três imagens separadas das mesmas áreas do céu para garantir uma cobertura completa. Esta nova, dados de imagem baseados em terra também foram complementados por dados de imagem da missão de satélite Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) da NASA, que coletou imagens espaciais em quatro bandas de luz infravermelha.

    Para o esforço de coleta de dados da Legacy Imaging Surveys, Schlegel projetou um código, melhorou com o tempo, que ajudou a calcular a melhor abordagem e tempo para capturar as melhores imagens para cobrir completamente a metade do céu, considerando horas de escuridão, clima, tempo de exposição, caminhos planetários e de satélite, e brilho e localização da lua, entre outras variáveis.

    Dustin Lang, Cientista de imagens DESI do Perimeter Institute for Theoretical Physics no Canadá, desempenhou um papel fundamental na padronização de todos os dados de imagem de pesquisas terrestres e aéreas e na costura.

    Em algumas imagens, Lang observou, "o céu pode estar realmente estável e calmo, "enquanto em outra noite" podemos ter nuvens claras ou apenas uma atmosfera turbulenta que causa borrões nas imagens. "Seu desafio:desenvolver um software que reconhecesse os dados bons sem diluí-los com os dados ruins." O que queríamos pensar sobre é como as estrelas e galáxias pareciam acima da atmosfera, " ele disse, e certificar-se de que as imagens coincidem mesmo quando foram tiradas em condições diferentes.

    Lang criou "The Tractor, "um chamado modelo" baseado em inferência "do céu, para comparar com os dados de forma e brilho de objetos imageados por diferentes pesquisas e para selecionar o melhor ajuste. O Tractor utilizou fortemente os recursos de supercomputador do NERSC do Berkeley Lab para processar os dados do Legacy Imaging Surveys e garantir sua qualidade e consistência.

    Era Lang, também, que reconheceu a popularidade potencial da ferramenta de visualização criada para os dados de imagem - que foi adaptada do software de mapeamento de ruas - e a trouxe ao público como o mapa interativo Sky Viewer.

    A ferramenta de visualização, ele notou, foi originalmente usado por pesquisadores do DESI para verificar discrepâncias de dados nas imagens das pesquisas. Isso "transformou a maneira como nossa equipe interagia com os dados. De repente, parecia muito mais real podermos simplesmente rolar o céu e explorar problemas individuais com nossos dados. Acabou sendo surpreendentemente poderoso."

    Dados de imagem de 3 pesquisas geram outras pesquisas científicas

    Arjun Dey, o cientista do projeto DESI para o NOIRLab da National Science Foundation, que inclui o local do Observatório Nacional de Kitt Peak, onde o DESI está situado, foi um dos principais contribuintes para duas das três pesquisas de imagem, atuando como cientista-chefe para a pesquisa de legado de banda z de Mayall (MzLS) realizada em Kitt Peak, e como cientista co-líder com Schlegel para o Dark Energy Camera Legacy Survey (DECaLS) realizado em um site NOIRLab no Chile.

    A terceira pesquisa preparatória DESI, conhecido como Beijing-Arizona Sky Survey ou (BASS), foi conduzido em Kitt Peak e apoiado por uma colaboração internacional, incluindo a Academia Chinesa de Ciências e a Universidade do Arizona.

    Pesquisadores da China fizeram mais de 90 viagens para Kitt Peak para realizar observações para o BASS, que foi apoiado por uma colaboração internacional incluindo os Observatórios Astronômicos Nacionais da China (NAOC) e a Universidade do Arizona. "Uma equipe de pesquisa conjunta de mais de 40 pessoas de 11 institutos na China e nos EUA participou do BASS e contribuiu para o sucesso deste lançamento de dados, "disse Hu Zou, um astrofísico no Laboratório de Astronomia Óptica em Pequim e um pesquisador co-líder do BASS. "Esta equipe também terá um papel importante no futuro da pesquisa DESI e ciências relacionadas, " ele adicionou.

    A pesquisa MzLS, Enquanto isso, apresentava uma câmera reconstruída projetada para ver a luz infravermelha emitida por pessoas distantes, galáxias fracas. Equipado com quatro grandes, sensores ultrassensíveis de captura de luz, chamados CCDs, a câmera de pesquisa MzLS produziu imagens de galáxias 10 vezes mais fracas do que as amostradas em uma pesquisa anterior. O próprio DESI é equipado com CCDs muito semelhantes que permitem capturar luz de objetos a até 12 bilhões de anos-luz de distância, e ambos os conjuntos de CCDs foram desenvolvidos no Berkeley Lab.

    O esforço coletivo das três pesquisas, Dey disse, "era um dos mais uniformes, pesquisas profundas do céu que já foram realizadas. Foi muito emocionante participar. "

    Todos os dados brutos das pesquisas de imagem foram divulgados para a comunidade científica e o público. Este lançamento de dados final, conhecido como Data Release 9 ou DR9, has been preceded by eight other data releases. The data have already spawned several disparate research projects, 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, por exemplo.

    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."


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