Vóór DESI, het donkere energie spectroscopische instrument, kan aan zijn 5-jarige missie beginnen vanaf een bergtop in Arizona om de grootste 3D-hemelkaart tot nu toe te produceren, onderzoekers hadden eerst een nog grotere 2D-kaart van het universum nodig.

De 2D-kaart, samengevoegd uit 200, 000 telescoopbeelden en meerdere jaren aan satellietgegevens, mist informatie over de afstanden van sterrenstelsels, en DESI zal dit leveren en andere nuttige details verschaffen door de kleursignaturen en "roodverschuiving" van sterrenstelsels en quasars in haar onderzoek te meten. De rodere kleuren van objecten geven veelbetekenende informatie over hun afstand tot de aarde en over hoe snel ze van ons weg bewegen - en dit fenomeen staat bekend als roodverschuiving.

Uiteindelijk, deze 2D-kaart van het heelal is de grootste ooit, gebaseerd op het gebied van de lucht dat wordt bedekt, zijn diepte in het afbeelden van vage objecten, en zijn meer dan 1 miljard melkwegbeelden.

De ambitieuze, Zes jaar durende inspanning om afbeeldingen vast te leggen en aan elkaar te naaien voor deze 2D-kaart, waarbij 1 405 nachten observeren met drie telescopen op twee continenten en jaren aan gegevens van een ruimtesatelliet, een verbeterde camera om ongelooflijk zwakke en verre sterrenstelsels in beeld te brengen, 150 waarnemers en 50 andere onderzoekers van over de hele wereld. De inspanning vereiste ook 1 petabyte aan gegevens - genoeg om 1 miljoen films op te slaan - en 100 miljoen CPU-uren in Berkeley Lab's National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC).

2D-kaart vormt de basis voor DESI-waarnemingen, met als doel het mysterie van donkere energie op te lossen

"Dit is in bijna elke maat de grootste kaart, " zei David Schlegel, co-projectwetenschapper voor DESI die het beeldvormingsproject leidde, bekend als de DESI Legacy Imaging Surveys. Schlegel is kosmoloog bij het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy. dat is de leidende instelling voor de internationale DESI-samenwerking.

De kaart beslaat de helft van de lucht, en digitaal verspreid over 10 biljoen pixels, wat overeenkomt met een mozaïek van 833, 000 smartphonefoto's met hoge resolutie. De DESI-samenwerking heeft ongeveer 600 deelnemende wetenschappers van 54 instellingen over de hele wereld.

Openbaar zichtbaar op legacysurvey.org/viewer, de Sky Viewer-kaart bevat 2 miljard objecten - waarvan meer dan de helft sterrenstelsels - en talloze klikbare filters om uit specifieke objecttypen of onderzoeken te kiezen. Sommige objecten zijn individueel gelabeld, en kijkers kunnen ervoor kiezen om sterrenbeelden weer te geven, bijvoorbeeld, en sterrenstelsels en quasars die door DESI in beeld zullen worden gebracht. Quasars behoren tot de helderste objecten in het universum, met superzware zwarte gaten in hun centrum die krachtige materiestralen uitzenden.

DESI is uitgerust met een reeks van 5, 000 zwenkbaar, geautomatiseerde robots, elk met een dunne glasvezelkabel die op individuele objecten wordt gericht. Deze kabels zullen het licht van 35 miljoen sterrenstelsels en 2,4 miljoen quasars verzamelen gedurende de vijf jaar van DESI-waarnemingen.

Het primaire doel van het samenstellen van de 2D-kaartgegevens is het identificeren van deze melkweg- en quasardoelen voor DESI, die hun licht zal meten om hun roodverschuiving en afstand te bepalen. Dit zal uiteindelijk nieuwe details opleveren over mysterieuze donkere energie die de versnelde uitdijing van het universum aanstuurt.

Nathalie Palanque-Delabrouille, DESI-medewoordvoerder en kosmoloog bij de Franse commissie voor alternatieve energie en atoomenergie (CEA), merkte op dat de expansiesnelheid is geëvolueerd, en er zijn veel onbeantwoorde vragen over de veranderingen in dit tarief.

"Ons universum had een verrassende geschiedenis, " legde ze uit. "Tijdens de eerste helft van zijn leven, zijn expansie werd voornamelijk aangedreven door de donkere materie die het bevat." Donkere materie is onbekende materie, die 85 procent van alle materie in het universum uitmaken en tot nu toe alleen indirect zijn waargenomen door de zwaartekrachtseffecten op normale materie.

"Echter, in de afgelopen 7 miljard jaar is de uitdijing van ons universum geleidelijk aan versneld onder invloed van een mysterieuze donkere energie, " voegde ze eraan toe, "en het doel van DESI is om dit algemene beeld precies te verduidelijken door te onthullen wat donkere energie is."

Palanque-Delabrouille is betrokken geweest bij de poging om uit de enquêtegegevens doelen te kiezen die DESI kan observeren. Ze merkte op dat DESI licht zal verzamelen van een mix van sterrenstelsels op verschillende afstanden, inclusief heldere sterrenstelsels die zich binnen 4 miljard lichtjaar van de aarde bevinden, zogenaamde rode sterrenstelsels waarmee we terug kunnen kijken tot 8 miljard jaar geleden, zeer jonge blauwe sterrenstelsels of "emissielijn"-sterrenstelsels die 10 miljard jaar geleden verder teruggaan, en uiteindelijk quasars, die zo helder zijn dat ze tot op 12 miljard lichtjaar afstand kunnen worden gezien.

"Het is echt een prestatie van formaat om deze beeldgegevens te verzamelen en te verwerken. DESI zou nergens komen zonder zulke grote beeldvormingsonderzoeken, " ze zei.

Software gidsen observeren plan, en standaardiseert en hecht beeldgegevens

Het was geen triviale taak om alle afbeeldingen van de DESI-onderzoeken samen te voegen om een ​​naadloze hemelkaart te maken. Schlegel uitgelegd. "Een van de doelen is om een ​​echt uniform beeld te krijgen door meerdere observaties aan elkaar te rijgen, " zei hij. "We begonnen met scattershot. En camera's hebben gaten - ze missen dingen. Een deel van de uitdaging hier was het plannen van het observatieprogramma, zodat je alle gaten kon opvullen - dat was een enorme logistieke uitdaging. Je moet ervoor zorgen dat het zo homogeen mogelijk is."

De drie onderzoeken die deel uitmaken van de DESI Legacy Imaging Surveys, voerden beeldvorming uit in drie verschillende kleuren, en elk onderzoek nam drie afzonderlijke afbeeldingen van dezelfde luchtgebieden om volledige dekking te garanderen. Deze nieuwe, op de grond gebaseerde beeldgegevens werden ook aangevuld met beeldgegevens van NASA's Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) satellietmissie, die ruimtebeelden verzamelde in vier banden van infrarood licht.

Voor de gegevensverzameling van de Legacy Imaging Surveys, Schlegel ontwierp een code, na verloop van tijd verbeterd, dat hielp bij het berekenen van de beste aanpak en timing voor het maken van de beste beelden om de helft van de lucht volledig te bedekken, gezien de uren duisternis, het weer, Blootstellingstijd, planetaire en satellietpaden, en maanhelderheid en locatie, onder andere variabelen.

Dustin Lang, DESI-beeldvormingswetenschapper aan het Perimeter Institute for Theoretical Physics in Canada, speelde een sleutelrol bij het standaardiseren en samenvoegen van alle beeldgegevens van grond- en luchtonderzoeken.

Op sommige afbeeldingen is Lang merkte op, "de lucht kan heel stabiel en kalm zijn, " terwijl we op een andere avond "misschien lichte wolken hebben of gewoon een turbulente atmosfeer die wazigheid in de beelden veroorzaakt." Zijn uitdaging:software ontwikkelen die de goede gegevens herkent zonder deze te verdunnen met de slechte gegevens. "Waar we over wilden nadenken is hoe de sterren en sterrenstelsels eruit zagen boven de atmosfeer, " hij zei, en om ervoor te zorgen dat de afbeeldingen overeenkomen, zelfs als ze onder verschillende omstandigheden zijn gemaakt.

Lang creëerde "De tractor, "een zogenaamd "inferentie-gebaseerd" model van de lucht, om te vergelijken met gegevens voor de vorm en helderheid van objecten die door verschillende onderzoeken zijn afgebeeld en om de beste pasvorm te selecteren. De Tractor maakte veel gebruik van supercomputerbronnen bij het NERSC van Berkeley Lab om de gegevens van de Legacy Imaging Surveys te verwerken en de kwaliteit en consistentie ervan te waarborgen.

Het was Lang, te, die de potentiële populariteit inzag van de weergavetool die voor de beeldgegevens was gemaakt - die was aangepast van straatkaartsoftware - en deze aan het publiek bracht als de interactieve Sky Viewer-kaart.

Het kijkinstrument, hij merkte, werd oorspronkelijk gebruikt door DESI-onderzoekers om gegevensverschillen in de afbeeldingen van de enquêtes te controleren. Het "transformeerde de manier waarop ons team met de gegevens omging. Het voelde ineens een stuk reëler dat we gewoon door de lucht konden scrollen en individuele problemen met onze gegevens konden onderzoeken. Het bleek verrassend krachtig te zijn."

Beeldvormingsgegevens van 3 enquêtes vormen de basis voor ander wetenschappelijk onderzoek

Arjun Dey, de DESI-projectwetenschapper voor het NOIRLab van de National Science Foundation, waaronder de Kitt Peak National Observatory-site waar DESI is gevestigd, leverde een belangrijke bijdrage aan twee van de drie beeldvormende onderzoeken, dienen als de hoofdwetenschapper voor de Mayall z-band Legacy Survey (MzLS) uitgevoerd op Kitt Peak, en als co-lead scientist met Schlegel voor de Dark Energy Camera Legacy Survey (DECaLS) uitgevoerd op een NOIRLab-site in Chili.

Het derde DESI-voorbereidende onderzoek, bekend als de Beijing-Arizona Sky Survey of (BASS), werd uitgevoerd op Kitt Peak en ondersteund door een internationale samenwerking, waaronder de Chinese Academie van Wetenschappen en de Universiteit van Arizona.

Onderzoekers uit China maakten meer dan 90 reizen naar Kitt Peak om waarnemingen uit te voeren voor BASS, die werd ondersteund door een internationale samenwerking, waaronder de National Astronomical Observatories of China (NAOC) en de Universiteit van Arizona. "Een gezamenlijk onderzoeksteam van meer dan 40 mensen van 11 instituten in China en de VS nam deel aan BASS en droeg bij aan het succes van deze gegevensrelease, " zei Hu Zou, een astrofysicus bij het Key Laboratory of Optical Astronomy in Beijing en een co-hoofdonderzoeker voor BASS. "Dit team zal ook een belangrijke rol spelen in de toekomst van het DESI-onderzoek en aanverwante wetenschappen, " hij voegde toe.

De MzLS-enquête, In de tussentijd, bevatte een herbouwde camera die is ontworpen om het infraroodlicht te zien dat wordt uitgezonden door verre, zwakke sterrenstelsels. Voorzien van vier grote, ultragevoelige lichtvangende sensoren, CCD's genoemd, de MzLS-surveycamera produceerde beelden van sterrenstelsels die 10 keer zwakker waren dan die in een eerdere meting. DESI zelf is uitgerust met zeer vergelijkbare CCD's waarmee het licht kan opvangen van objecten tot 12 miljard lichtjaar verwijderd, en beide sets CCD's zijn ontwikkeld in Berkeley Lab.

De gezamenlijke inspanning van de drie onderzoeken, Dey zei, "was een van de meest uniforme, diepe onderzoeken van de hemel die ooit zijn uitgevoerd. Het was heel spannend om mee te doen."

Alle onbewerkte gegevens van de beeldvormende onderzoeken zijn vrijgegeven aan de wetenschappelijke gemeenschap en het publiek. Deze definitieve gegevensrelease, bekend als Data Release 9 of DR9, is voorafgegaan door acht andere gegevensreleases. De gegevens hebben al geleid tot verschillende uiteenlopende onderzoeksprojecten, inclusief burgerwetenschappelijke inspanningen die gebruikmaken van de wijsheid van de menigte.

dey, samen met 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, bijvoorbeeld.

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, die klein zijn, 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."