|
Ожидая открытий в области темной материи и темной энергии
|
|
|
|
На горе на севере Чили ученые тщательно собирают сложные компоненты обсерватории Веры С. Рубин, одного из самых современных астрономических объектов в истории. Оснащенная инновационным телескопом и крупнейшей в мире цифровой камерой, обсерватория вскоре приступит к традиционному исследованию пространства и времени (LSST).
|
|
|
|
В течение 10-летнего исследования космоса, проводимого LSST, обсерватория "Рубин" сделает 5,5 миллионов снимков неба, богатых данными. Более обширный и глубокий по объему, чем все предыдущие исследования, вместе взятые, LSST предоставит беспрецедентный объем информации астрономам и космологам, работающим над ответом на некоторые из самых фундаментальных вопросов науки.
|
|
|
|
Ученые Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США, активно участвующие в научном сотрудничестве LSST в области темной энергии (DESC), работают над раскрытием истинной природы темной энергии и темной материи. В рамках подготовки к LSST они проводят расширенное космологическое моделирование и работают с обсерваторией Рубина над формированием и обработкой данных, чтобы максимально использовать потенциал для открытий.
|
|
|
|
|
|
|
Моделирование темной стороны
|
|
|
|
Вместе взятые, темная энергия и темная материя составляют ошеломляющие 95% энергии и вещества во Вселенной, но ученые очень мало о них знают. Они видят влияние темной материи на формирование и движение галактик, но когда они ищут ее, кажется, что ее там нет. Между тем, само пространство со временем расширяется все быстрее и быстрее, и ученые не знают почему. Они называют это неизвестное влияние темной энергией.
|
|
|
|
"Прямо сейчас мы понятия не имеем, каково их физическое происхождение, но у нас есть теории", - сказала Катрин Хайтманн, заместитель директора отдела физики высоких энергий (HEP) Аргоннского университета. "С помощью LSST и обсерватории Рубина мы действительно думаем, что сможем получить точные сведения о том, какой может быть темная материя и темная энергия, что поможет сообществу двигаться в наиболее многообещающих направлениях".
|
|
|
|
В рамках подготовки к LSST ученые Аргонны разрабатывают теории об особых свойствах темной материи и темной энергии и моделируют эволюцию Вселенной в соответствии с этими предположениями.
|
|
|
|
Важно, чтобы ученые нашли способы сопоставить свои теории с признаками, которые может обнаружить исследование. Например, как бы выглядела Вселенная сегодня, если бы температура темной материи была небольшой, или если бы темная энергия была сверхсильной сразу после возникновения Вселенной? Возможно, некоторые структуры в конечном итоге станут более размытыми, или, возможно, галактики будут сгущаться определенным образом.
|
|
|
|
Моделирование может помочь исследователям предсказать, какие особенности на самом деле появятся в реальных данных из LSST, которые будут указывать на то, что определенная теория верна.
|
|
|
|
Моделирование также позволяет коллаборационистам проверить правильность кода, который они будут использовать для обработки и анализа данных. Например, совместно с LSST DESC и сотрудниками космического телескопа НАСА "Нэнси Грейс Роман" ученые Аргонны недавно смоделировали изображения ночного неба в том виде, в каком их будет видеть каждый телескоп. Чтобы убедиться, что их программное обеспечение работает так, как задумано, ученые могут протестировать его на этих чистых, смоделированных изображениях, прежде чем приступить к обработке реальных данных.
|
|
|
|
Для проведения своих симуляций ученые Аргонна используют вычислительные ресурсы Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), пользовательского центра Министерства энергетики США по науке. Среди набора суперкомпьютеров ALCF есть Aurora, одна из первых в мире машин с расширенным масштабом, которая может выполнять более одного квинтиллиона — или одного миллиарда миллиардов — вычислений в секунду.
|
|
|
|
"Впечатляющая память и быстродействие Aurora позволят нам моделировать большие объемы Вселенной и учитывать больше физических факторов при моделировании, чем когда-либо прежде, сохраняя при этом достаточно высокое разрешение, чтобы точно передать важные детали", - сказал Хайтманн, который ранее занимал должность представителя LSST DESC.
|
|
Чего ожидать, когда вы ожидаете получить астрономический объем данных
|
|
|
|
Во время LSST свет, испущенный давным-давно из далеких галактик, достигнет обсерватории. Датчики камеры обсерватории преобразуют свет в данные, которые будут передаваться с горы в несколько информационных центров проекта Rubin по всему миру. Затем эти службы подготовят данные для отправки более широкому сообществу для анализа.
|
|
|
|
В рамках проекта LSST DESC аргоннские ученые в настоящее время сотрудничают с обсерваторией Рубина, чтобы обеспечить обработку данных способами, наиболее способствующими достижению их научных целей. Например, физик из Аргонна Мэтью Беккер тесно сотрудничает с проектом Rubin в разработке алгоритмов обработки данных, которые позволят исследовать темную материю и темную энергию с помощью явления, называемого слабым гравитационным линзированием.
|
|
|
|
"Когда свет от далеких галактик попадает в обсерваторию, на его траекторию влияет гравитационное притяжение находящихся между ними масс, включая темную материю", - сказал Беккер.
|
|
|
|
"Это означает, что, когда обсерватория увидит их, формы и ориентации галактик на небе будут слегка коррелированы. Если мы сможем измерить эту корреляцию, мы сможем узнать о распределении вещества, включая темную материю, во Вселенной".
|
|
|
|
Слабое гравитационное линзирование также может показать, как структура Вселенной менялась с течением времени, что может пролить свет на природу темной энергии. Проблема в том, что сигналы, указывающие на слабое гравитационное линзирование в данных LSST, будут, скажем так, слабыми. Сила сигнала, которую ищут ученые, будет примерно в 30 раз меньше ожидаемого уровня шума или нежелательных помех в данных.
|
|
|
|
Это означает, что ученым требуется огромное количество данных, чтобы убедиться в точности своих измерений, и они вот-вот их получат. После завершения работы LSST сгенерирует 60 петабайт данных изображений, или 60 миллионов гигабайт. Потребовалось бы более 11 000 лет просмотра Netflix, чтобы использовать такой объем данных.
|
|
|
|
Беккер и его коллеги разрабатывают методы сжатия данных, чтобы сделать анализ одновременно управляемым и плодотворным. Например, комбинируя изображения одних и тех же участков неба, сделанные в разное время, ученые могут подтвердить особенности изображений, чтобы выявить корреляции в формах галактик, которые в противном случае были бы слишком слабыми для обнаружения.
|
|
|
|
Беккер также сосредоточен на определении уровня уверенности сообщества в выводах, сделанных на основе сжатых данных.
|
|
|
|
"Если мы будем знать, насколько точными мы можем быть в нашем анализе, это позволит нам сравнить наши результаты с другими экспериментами, чтобы понять текущее состояние знаний по всей космологии", - сказал Беккер. "С данными LSST все станет намного интереснее".
|
|
|
|
Источник
|
