美国国家航空航天局的罗马太空望远镜任务从超级计算机中获得宇宙“偷窥”

汪雨甘捍

据美国宇航局（Ashley Balzer）：研究人员正在深入人造宇宙，以帮助我们更好地了解真实的宇宙。利用美国能源部位于伊利诺伊州的阿贡国家实验室的超级计算机，科学家们创建了近400万张模拟图像，描绘了美国国家航空航天局的南希·格雷斯·罗马太空望远镜和由美国国家科学基金会和美国能源部联合资助的维拉·C·鲁宾天文台将在智利看到的宇宙。

北卡罗来纳州达勒姆杜克大学物理学副教授Michael Troxel领导了这场模拟活动，这是一个名为OpenUniverse的更广泛项目的一部分。该团队现在正在发布这些数据的10 TB子集，剩下的390 TB将在今年秋天处理完毕后发布。

“使用阿贡现已退役的Theta机器，我们在大约9天内完成了在你的笔记本电脑上花费大约300年的任务，”宇宙学家、阿贡高能物理部副主任卡特琳·海特曼说，他负责管理该项目的超级计算机时间。“这些结果将影响罗曼和鲁宾未来照亮暗物质和暗能量的尝试，同时为其他科学家提供他们将能够使用望远镜数据探索的事物类型的预览。”



这张图突出了美国国家航空航天局的南希·格雷斯·罗马太空望远镜在2027年5月发射时可能看到的新模拟的一部分。背景跨度约为0.11平方度（大致相当于满月覆盖的天空面积的一半），不到Roman在一张快照中看到的面积的一半。插图放大到一个小300倍的区域，以罗曼的全分辨率展示了一片明亮的合成星系。拥有这样一个逼真的模拟有助于科学家研究宇宙图像背后的物理学——包括像这样的合成图像和未来的真实图像。研究人员将把这些观测结果用于许多类型的科学，包括测试我们对宇宙起源、进化和最终命运的理解。来源：C.平田和K.曹（OSU）与美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心

宇宙服装排练

这一模拟首次将望远镜的仪器性能考虑在内，使其成为迄今为止最准确的宇宙预览，因为Roman和Rubin将在开始观测后看到它。鲁宾号将于2025年开始运行，美国国家航空航天局的罗曼号将于2027年5月发射。

模拟的精度很重要，因为科学家们将梳理天文台未来的数据，寻找微小的特征，帮助他们解开宇宙学中最大的谜团。

罗曼和鲁宾都将探索暗能量——一种被认为加速宇宙膨胀的神秘力量。由于它在管理宇宙中发挥着重要作用，科学家们渴望了解更多关于它的信息。像OpenUniverse这样的模拟可以帮助他们了解每种仪器在图像上留下的特征，并制定出数据处理方法，以便他们能够正确地解译未来的数据。然后，即使是微弱的信号，科学家们也将能够做出重大发现。

位于加利福尼亚州门洛帕克的美国能源部SLAC国家加速器实验室的科学家Jim Chiang帮助创建了模拟，他说：“OpenUniverse让我们校准了对使用这些望远镜可以发现什么的期望。”。“这让我们有机会练习我们的处理管道，更好地理解我们的分析代码，并准确地解释结果，这样我们就可以准备在真正的数据开始输入后立即使用它。”

然后，他们将继续使用模拟来探索物理和仪器效应，这些效应可以重现天文台在宇宙中看到的景象。



这张照片展示了阿贡领导计算设施现已退役的Theta超级计算机。科学家们使用超级计算机来模拟他们在现实生活中无法进行的实验，比如从头开始创建新的宇宙。来源：阿贡国家实验室

伸缩式团队合作

这需要来自多个组织的一个庞大而有才华的团队来进行如此巨大的模拟。

“世界上很少有人有足够的技能来运行这些模拟，”位于南加州的美国国家航空航天局喷气推进实验室（JPL）的研究科学家、OpenUniverse的首席研究员Alina Kiessling说。“多亏了美国能源部、阿贡、SLAC和美国国家航空航天局之间的合作，这项庞大的任务才得以实现，他们汇集了所有合适的资源和专家。”

一旦罗曼和鲁宾开始观测宇宙，该项目将进一步推进。

Kiessling说：“我们将利用观测结果使我们的模拟更加准确。”。“这将使我们对宇宙随时间的演变有更深入的了解，并帮助我们更好地理解最终塑造宇宙的宇宙学。”

Roman和Rubin的模拟覆盖了同一片天空，总面积约为0.08平方度（大致相当于满月覆盖天空面积的三分之一）。将于今年晚些时候发布的完整模拟将横跨70平方度，大约相当于350个满月覆盖的天空区域。

重叠它们可以让科学家学会如何使用每台望远镜的最佳方面——鲁宾的视野更开阔，罗曼的视野更清晰、更深。这种组合将产生比研究人员单独从任何一个天文台收集到的更好的约束。

Heitmann说：“像我们所做的那样，将模拟联系起来，让我们进行比较，看看Roman的天基调查将如何帮助改进鲁宾的地面调查的数据。”。“我们可以探索如何梳理出鲁宾图像中融合在一起的多个物体，并将这些校正应用于更广泛的覆盖范围。”



这对图像展示了维拉·C·鲁宾天文台（左，由传统时空暗能量科学合作调查处理）和美国国家航空航天局的南希·格雷斯罗马太空望远镜（右，由罗马高纬度成像调查项目基础设施团队处理）模拟的同一天空区域。罗曼将从太空捕捉到更深、更清晰的图像，而鲁宾将从地面观察到更广阔的天空区域。因为鲁宾的图像必须透过地球大气层进行观察，所以它并不总是足够清晰，无法将多个近距离来源区分为单独的物体。它们看起来会模糊在一起，这限制了科学研究人员使用这些图像的能力。但是，通过比较鲁宾和罗马对同一片天空的图像，科学家们可以探索如何“去模糊”物体，并在鲁宾更广泛的观测中进行调整。来源：J.Chiang（SLAC）、C.Hirata（OSU）和美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心

科学家可以考虑修改每台望远镜的观测计划或数据处理管道，以利于两者的结合使用。

Kiessling说：“我们在简化这些管道并使其可用方面取得了惊人的进展。”。与加州理工学院/IPAC的IRSA（红外科学档案馆）的合作使模拟数据现在可以访问，因此当研究人员将来访问真实数据时，他们已经习惯了这些工具。“现在，我们希望人们开始进行模拟，看看我们可以做出什么改进，并准备尽可能有效地使用未来的数据。”

OpenUniverse以及Roman的科学运营和科学支持中心正在开发的其他模拟工具，将为科学家们准备Roman的大型数据集。该项目汇集了来自美国国家航空航天局喷气推进实验室、美国能源部阿贡、IPAC和几所美国大学的数十名专家，与罗马项目基础设施团队、SLAC和鲁宾LSST DESC（时空暗能量科学合作遗产调查）进行协调。Theta超级计算机由美国能源部科学办公室用户设施Argonne Leadership Computing Facility运营。

Nancy Grace Roman太空望远镜由位于马里兰州格林贝尔特的NASA戈达德太空飞行中心管理，南加州的NASA喷气推进实验室和加州理工学院/IPAC、巴尔的摩的太空望远镜科学研究所以及由多个研究机构的科学家组成的科学团队参与其中。主要的工业合作伙伴是位于科罗拉多州博尔德的BAE系统股份有限公司；L3Harris Technologies，位于纽约罗切斯特；以及加利福尼亚州千橡园的Teledyne Scientific&Imaging。

维拉·C·鲁宾天文台是一个由国家科学基金会和美国能源部科学办公室联合资助的联邦项目，早期建设资金来自LSST发现联盟的私人捐款。

作者：Ashley Balzer
美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心，马里兰州格林贝尔特。