Zien is geloven, of zo gaat het gezegde.

En in sommige gevallen, een wereld van fantasie kan je helpen te realiseren wat je werkelijk ziet, te.

Wetenschappers creëren gesimuleerde universums, bijvoorbeeld – compleet met mock-ups van donkere materie, door de computer gegenereerde sterrenstelsels, quasi quasars, en pseudo-supernova's - om waarnemingen in de echte wereld beter te begrijpen.

Hun doel is om je voor te stellen hoe nieuwe hemelonderzoeken op aarde en in de ruimte het universum zullen zien, en om te helpen bij het analyseren en interpreteren van de enorme schat aan gegevens die deze onderzoeken zullen verzamelen.

"We willen van start kunnen gaan zodra we echte gegevens hebben, " zei Stephen Bailey, een natuurkundige bij het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab), die de technische leiding en manager is van datasystemen voor een 3D-sky-mapping-project dat bekend staat als het Dark Energy Spectroscopic Instrument, of DESI, dat is gepland om te beginnen met observeren in 2019.

Verschillende DESI-teams bouwen afzonderlijke simulaties die gevuld zijn met de vele soorten objecten die DESI zal tegenkomen. "Hoe gaat dit eruit zien voor DESI?" vroeg Bailey. "Wat is de werkelijke spectra, of lichte handtekening, dat DESI gaat observeren? We moeten ervoor zorgen dat de namaakobjecten de juiste kleuren en chemische hoeveelheden hebben."

John Moustakas, een assistent-professor natuurkunde aan het Siena College in New York die ook werkt aan de simulaties voor DESI, toegevoegd, "En dat is een uitdaging omdat er niets bestaat zoals DESI."

De geautomatiseerde modellen zijn gebaseerd op waarnemingen van eerdere onderzoeken en op grootschalige simulaties van het universum die verantwoordelijk zijn voor complexe fysica, waaronder donkere materie, een onbekende vorm van materie die, samen met donkere energie, maakt ongeveer 95 procent uit van de totale massa en energie in het universum.

"Voor zover mogelijk, de simulaties zijn gebaseerd op modellen van echte objecten - van het uittrekken van al deze stukken uit andere onderzoeken, Moustakas zei. "Misschien zouden dit in een perfecte wereld puur theoretische modellen zijn, maar we begrijpen sterrenstelsels niet goed genoeg om dat te kunnen doen."

En ook al zijn er gegevens uit eerdere onderzoeken, DESI zal de lucht op een andere manier zien. "Je moet alle instrumentonderdelen van al deze andere onderzoeken eruit halen om te komen:'Dit is hoe andere sterrenstelsels eruit zien, intrinsiek, '" zei hij. Vervolgens, hij zei, wetenschappers moeten uitzoeken hoe de unieke set instrumenten van DESI ze zal zien.

De gesimuleerde objecten en universums gemaakt en verfijnd met behulp van krachtige supercomputers, waaronder Berkeley Lab's National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), moet uiteindelijk rekening houden met het atmosferische geluid van de aarde, en weers- en lichtomstandigheden, inclusief de fasen van de maan, die allemaal van invloed zijn op waarnemingen.

DESI zal opereren vanuit de Nicholas U. Mayall 4-meter Telescope bij Kitt Peak National Observatory in Arizona. Het meet het licht van tientallen miljoenen sterrenstelsels en andere objecten met een zorgvuldig gechoreografeerde reeks van 5, 000 zwenkbare robots – die elk een glasvezelkabel op een gericht ruimteobject richten. De robotarray doorloopt een reeks objecten, turen tot 11 miljard jaar terug in de geschiedenis van ons universum.

Het licht dat door DESI wordt opgevangen, zal nauwkeurige metingen opleveren die wetenschappers zullen helpen de evolutie van het universum te volgen en meer te leren over donkere energie, die verantwoordelijk is voor de mysterieuze, versnelde expansie. Berkeley Lab is het leidende lab voor het DESI-project, en de samenwerking omvat nu zo'n 200 wetenschappers bij 40 instellingen.

Alex Smit, een afgestudeerde student aan de Durham University in Engeland en een DESI-samenwerkingslid, werkte met een team aan de ontwikkeling van een nepcatalogus van sterrenstelsels voor DESI die gebruikmaakt van een krachtige simulatie van hoe de materie van het universum de afgelopen 13 miljard jaar is geëvolueerd.

Uitgevoerd in het Jülich Supercomputer Center in Duitsland, deze Millennium-XXL-simulatie gebruikte 12, 000 computerkernen – het equivalent van ongeveer 300 jaar computerverwerkingstijd. Het genereerde ongeveer 100 terabyte aan gegevens, dat zijn bijna net zoveel gegevens als de Hubble-ruimtetelescoop die tijdens de eerste 24 jaar van gebruik in ruimtebeelden heeft uitgezonden.

De nepcatalogus van sterrenstelsels die het team van Smith ontwikkelde, was gericht op hetzelfde derde deel van de lucht dat DESI zal onderzoeken. De catalogus laat zien hoe de clustering en 'roodverschuiving' van sterrenstelsels - de kleur gebaseerd op hun afstand en beweging van ons af - in de loop van de tijd verandert en waarschijnlijk zal verschijnen voor DESI.

Door kosmische expansie, zeer verre objecten lijken roder en vager. Eerdere nepcatalogi hadden geen rekening gehouden met deze veranderingen in roodverschuiving, zei Smit.

"Het is belangrijk om nepcatalogi te hebben die realistische eigenschappen hebben - die lijken op hoe we denken dat de eigenlijke enquête eruit zal zien, " hij voegde toe.

Het onderzoek van zijn team gebruikte een methode die bekend staat als halo-bezettingsdistributie, of HOD, om het gemiddelde aantal sterrenstelsels en hun helderheid te modelleren op basis van de gedetailleerde simulaties van de verspreiding van donkere materie in het Millennium-XXL-onderzoek. In donkere materie modellen, materie vormt zich in klonten donkere materie die bekend staat als halo's, en sterrenstelsels worden omgeven door deze halo's.

Smith merkte op dat de verdeling van sterrenstelsels binnen deze halo's, en andere eigendommen opgenomen in de laatste catalogus, zijn ontleend aan gegevens die zijn verzameld in eerdere enquêtes, waaronder de Sloan Digital Sky Survey en de Galaxy and Mass Assembly Survey.

De sterrenstelsels in de catalogus zijn vereenvoudigd tot hun helderheid, zoals het zal verschijnen in een van de golflengtebanden die DESI zal scannen. De mock-catalogus is ook bedoeld om het type sterrenstelsels te simuleren dat het doelwit zal zijn tijdens luchtomstandigheden die helderdere objecten prefereren, zoals die bestaan ​​rond de tijden van zonsopgang en zonsondergang, of wanneer de maan helderder aan de hemel staat, bijvoorbeeld. Afzonderlijke simulaties zullen rekening houden met donkere kijkomstandigheden.

"De nepcatalogus die ik heb gemaakt, gaat ervan uit dat je alles met perfecte precisie kunt observeren, " merkte Smit op, er zullen dus extra eigenschappen moeten worden toegevoegd om weers- en andere effecten te simuleren. De DESI-samenwerking heeft toegang tot een decennium aan weerstatistieken die zijn verzameld bij het Kitt Peak National Observatory, zei Bailey.

Zelfs na de start van het onderzoek van DESI, samenwerkingswetenschappers zullen de modellen blijven aanpassen en verbeteren.

"Er zit een leercomponent in, " zei Moustakas. "Als we dingen beginnen te observeren, we zullen dan die gerichte objecten gebruiken om betere modellen te bouwen van wat die objecten zijn."

Te veel vertrouwen op simulaties kan ook een probleem zijn, DESI-wetenschappers merkten op, dus observaties zullen een noodzakelijke realiteitscheck bieden. Bijvoorbeeld, superheldere objecten die quasars worden genoemd, die tot de doelstellingen van DESI behoren, waren bijzonder moeilijk te simuleren.

"Je wilt je simulaties niet te veel geloven, omdat de natuur veel harder is, ' zei Moustakas.

Bailey heeft toegevoegd, "We zijn momenteel bezig met het opstarten van andere experimenten, dan zullen we het zelf gaan opstarten."

Smith merkte op dat om zich voor te bereiden op steeds grotere onderzoeken, er zal behoefte zijn aan meer gedetailleerde en nauwkeurige modellen om inzicht te krijgen in de aard van donkere energie en zwaartekracht, bijvoorbeeld.

"Om kosmologische metingen te kunnen doen met de vereiste hoge precisie om al deze levensvatbare modellen van elkaar te kunnen onderscheiden, het is echt belangrijk om meer en meer realistische nepcatalogi te hebben, " hij zei.