Ce graphique met en évidence une partie d'une nouvelle simulation de ce que le télescope spatial Nancy Grace Roman de la NASA pourrait voir lors de son lancement en mai 2027. L'arrière-plan couvre environ 0,11 degré carré (soit à peu près la moitié de la surface du ciel couverte par une pleine Lune), ce qui représente moins de la moitié de la surface que Roman verra en un seul cliché. L'encart zoome sur une région 300 fois plus petite, présentant une bande de galaxies synthétiques brillantes à la pleine résolution de Roman. Une simulation aussi réaliste aide les scientifiques à étudier la physique derrière les images cosmiques – à la fois synthétiques comme celles-ci et les futures images réelles. Les chercheurs utiliseront les observations pour de nombreux types de sciences, notamment pour tester notre compréhension de l'origine, de l'évolution et du destin ultime de l'univers. Crédit : C. Hirata et K. Cao (OSU) et Goddard Space Flight Center de la NASA
Des chercheurs du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie ont créé près de 4 millions d'images simulées du cosmos pour le Nancy Grace Télescope spatial romain et l'observatoire Vera C. Rubin.
Cette simulation, qui fait partie du projet OpenUniverse, a été réalisée à l'aide de superordinateurs et offre un aperçu très précis de la manière dont ces télescopes observeront l'univers. Ces simulations sont cruciales pour l'étude de la matière noire et de l'énergie noire, et aident les scientifiques à se préparer aux observations réelles qui débuteront en 2025 pour Rubin et en 2027 pour Roman.
Les scientifiques se plongent dans un univers synthétique pour nous aider à mieux comprendre le véritable. À l'aide de superordinateurs du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie (DOE) dans l'Illinois, les scientifiques ont créé près de 4 millions d'images simulées représentant le cosmos tel qu'il est. NASALe télescope spatial Nancy Grace Roman et l'observatoire Vera C. Rubin, financés conjointement par la NSF (la National Science Foundation) et le DOE, au Chili, l'observeront.
Le télescope spatial Roman est un observatoire de la NASA conçu pour percer les secrets de l'énergie noire et de la matière noire, rechercher et photographier des exoplanètes et explorer de nombreux sujets en astrophysique infrarouge. Crédit : NASA
Techniques avancées de simulation pour l'observation du cosmos
Michael Troxel, professeur associé de physique à l'université Duke de Durham, en Caroline du Nord, a dirigé la campagne de simulation dans le cadre d'un projet plus vaste appelé OpenUniverse. L'équipe publie désormais un sous-ensemble de 10 téraoctets de ces données, les 390 téraoctets restants devant suivre cet automne une fois qu'ils auront été traités.
« En utilisant la machine Theta d'Argonne, aujourd'hui à la retraite, nous avons accompli en neuf jours environ ce qui aurait pris environ 300 ans sur un ordinateur portable », a déclaré Katrin Heitmann, cosmologiste et directrice adjointe de la division de physique des hautes énergies d'Argonne, qui a géré le temps de supercalculateur du projet. « Les résultats façonneront les futures tentatives de Roman et Rubin pour éclairer la matière noire et l'énergie noire tout en offrant aux autres scientifiques un aperçu du type de choses qu'ils pourront explorer à l'aide des données des télescopes. »
Vue de l'observatoire Rubin au coucher du soleil en mai 2024, sur le Cerro Pachón au Chili. Crédit : Olivier Bonin/SLAC National Accelerator Laboratory
Révéler les secrets de l'univers grâce à la simulation
Pour la première fois, cette simulation a pris en compte les performances des instruments des télescopes, ce qui en fait l'aperçu le plus précis à ce jour du cosmos tel que Roman et Rubin le verront une fois qu'ils auront commencé à observer. Rubin commencera ses opérations en 2025 et Roman de la NASA sera lancé d'ici mai 2027.
La précision de la simulation est importante car les scientifiques passeront au peigne fin les données futures des observatoires à la recherche de minuscules caractéristiques qui les aideront à percer les plus grands mystères de la cosmologie.
Roman et Rubin vont tous deux explorer l'énergie noire, cette force mystérieuse qui accélère l'expansion de l'univers. Comme elle joue un rôle majeur dans la gouvernance du cosmos, les scientifiques sont impatients d'en savoir plus à son sujet. Des simulations comme OpenUniverse les aident à comprendre les signatures que chaque instrument imprime sur les images et à améliorer les méthodes de traitement des données dès maintenant afin de pouvoir déchiffrer correctement les données futures. Les scientifiques seront alors en mesure de faire de grandes découvertes même à partir de signaux faibles.
« OpenUniverse nous permet de calibrer nos attentes quant à ce que nous pouvons découvrir avec ces télescopes », a déclaré Jim Chiang, scientifique au laboratoire national d'accélération SLAC du DOE à Menlo Park, en Californie, qui a participé à la création des simulations. « Cela nous donne l'occasion de tester nos pipelines de traitement, de mieux comprendre nos codes d'analyse et d'interpréter avec précision les résultats afin que nous puissions nous préparer à utiliser les données réelles dès qu'elles commenceront à arriver. »
Ils continueront ensuite à utiliser des simulations pour explorer la physique et les effets des instruments qui pourraient reproduire ce que les observatoires voient dans l'univers.
Cette photo montre le supercalculateur Theta, aujourd'hui hors service, de l'Argonne Leadership Computing Facility. Les scientifiques utilisent des supercalculateurs pour simuler des expériences qu'ils ne peuvent pas mener dans la vie réelle, comme la création de nouveaux univers à partir de zéro. Crédit : Argonne National Laboratory
Travail d'équipe télescopique
Il a fallu une équipe nombreuse et talentueuse issue de plusieurs organisations pour mener à bien une simulation d’une telle ampleur.
« Peu de gens dans le monde sont suffisamment qualifiés pour exécuter ces simulations », a déclaré Alina Kiessling, chercheuse scientifique au Jet Propulsion Laboratory de la NASA (JPL) en Californie du Sud et chercheur principal d'OpenUniverse. « Cette entreprise de grande envergure n'a été possible que grâce à la collaboration entre le DOE, Argonne, le SLAC et la NASA, qui ont réuni toutes les ressources et tous les experts nécessaires. »
Et le projet s’intensifiera encore une fois que Roman et Rubin commenceront à observer l’univers.
« Nous utiliserons ces observations pour rendre nos simulations encore plus précises », a déclaré Kiessling. « Cela nous permettra de mieux comprendre l'évolution de l'univers au fil du temps et de mieux comprendre la cosmologie qui a finalement façonné l'univers. »
Cette paire d'images montre la même région du ciel que celle simulée par l'observatoire Vera C. Rubin (à gauche, traitée par la Legacy Survey of Space and Time Dark Energy Science Collaboration) et le télescope spatial Nancy Grace Roman de la NASA (à droite, traité par l'équipe d'infrastructure du projet Roman High-Latitude Imaging Survey). Roman capturera des images plus profondes et plus nettes depuis l'espace, tandis que Rubin observera une région plus large du ciel depuis le sol. Comme il doit scruter l'atmosphère terrestre, les images de Rubin ne seront pas toujours assez nettes pour distinguer plusieurs sources proches comme des objets distincts. Elles sembleront se brouiller ensemble, ce qui limite les recherches scientifiques que les chercheurs peuvent faire en utilisant les images. Mais en comparant les images de Rubin et de Roman de la même partie du ciel, les scientifiques peuvent explorer comment « démixer » les objets et mettre en œuvre les ajustements sur les observations plus larges de Rubin. Crédit : J. Chiang (SLAC), C. Hirata (OSU) et Goddard Space Flight Center de la NASA
Les simulations de Roman et Rubin couvrent la même partie du ciel, soit environ 0,08 degré carré (soit environ un tiers de la surface du ciel couverte par une pleine Lune). La simulation complète, qui sera publiée plus tard cette année, couvrira 70 degrés carrés, soit environ la surface du ciel couverte par 350 pleines lunes.
En les superposant, les scientifiques apprennent à exploiter au mieux les atouts de chaque télescope : la vision plus large de Rubin et la vision plus nette et plus profonde de Roman. Cette combinaison permettra d'obtenir de meilleures contraintes que celles que les chercheurs pourraient obtenir avec l'un ou l'autre des deux observatoires isolément.
« En reliant les simulations comme nous l’avons fait, nous pouvons faire des comparaisons et voir comment l’étude spatiale de Roman contribuera à améliorer les données de l’étude terrestre de Rubin », a déclaré Heitmann. « Nous pouvons explorer des moyens de faire ressortir plusieurs objets qui se mélangent dans les images de Rubin et d’appliquer ces corrections à sa couverture plus large. »
Les scientifiques peuvent envisager de modifier les plans d’observation ou les pipelines de traitement des données de chaque télescope pour bénéficier de l’utilisation combinée des deux.
« Nous avons fait des progrès phénoménaux pour simplifier ces pipelines et les rendre utilisables », a déclaré Kiessling. Un partenariat avec l'IRSA (Infrared Science Archive) de Caltech/IPAC rend les données simulées accessibles dès maintenant. Ainsi, lorsque les chercheurs accéderont à des données réelles à l'avenir, ils seront déjà habitués aux outils. « Nous voulons maintenant que les gens commencent à travailler avec les simulations pour voir quelles améliorations nous pouvons apporter et se préparer à utiliser les données futures aussi efficacement que possible. »
OpenUniverse, ainsi que d'autres outils de simulation développés par les centres d'opérations scientifiques et de soutien scientifique de Roman, prépareront les scientifiques aux grands ensembles de données attendus de Roman. Le projet rassemble des dizaines d'experts du JPL de la NASA, d'Argonne du DOE, de l'IPAC et de plusieurs universités américaines pour coordonner leurs efforts avec les équipes d'infrastructure du projet Roman, le SLAC et le Rubin LSST DESC (Legacy Survey of Space and Time Dark Energy Science Collaboration). Le supercalculateur Theta était exploité par l'Argonne Leadership Computing Facility, une installation utilisateur du DOE Office of Science.
Le télescope spatial Nancy Grace Roman, du nom du premier chef de l'astronomie de la NASA, est un futur observatoire dont le lancement est prévu au milieu des années 2020. Il vise à explorer l'énergie noire, les exoplanètes et l'astrophysique infrarouge, offrant un champ de vision plus large que celui du télescope spatial Hubble. Le télescope spatial Hubble et utilise une technologie de pointe comme un coronographe pour obtenir des images directes des exoplanètes. La mission est conçue pour répondre à des questions clés en cosmologie et élargir notre compréhension de l'univers.
L'observatoire Vera C. Rubin, auparavant connu sous le nom de Large Synoptic Survey Telescope (LSST), est conçu pour mener une étude de 10 ans sur l'espace et le temps (LSST) afin de cartographier l'ensemble du ciel visible avec un niveau de détail sans précédent. Situé au Chili, cet observatoire utilisera un télescope à grand champ et une caméra de 3,2 milliards de pixels pour observer des millions de galaxies et de phénomènes célestes, contribuant ainsi à l'étude de la matière noire, de l'énergie noire et de la formation de la matière noire. voie LactéeSon étude approfondie devrait révolutionner notre compréhension de l’univers et de son évolution.
