Prima di DESI, lo strumento spettroscopico dell'energia oscura, può iniziare la sua missione di 5 anni dalla cima di una montagna dell'Arizona per produrre la più grande mappa del cielo in 3D di sempre, i ricercatori avevano prima bisogno di una mappa 2-D dell'universo ancora più grande.

La mappa in 2D, messi insieme da 200, 000 immagini del telescopio e diversi anni di dati satellitari, mancano informazioni sulle distanze delle galassie, e DESI fornirà questo e fornirà altri dettagli utili misurando le firme di colore e il "redshift" di galassie e quasar nel suo rilevamento. I colori più rossi degli oggetti forniscono informazioni rivelatrici sulla loro distanza dalla Terra e sulla velocità con cui si stanno allontanando da noi, e questo fenomeno è noto come redshift.

Alla fine, questa mappa 2-D dell'universo è la più grande di sempre, in base all'area di cielo coperta, la sua profondità nell'imaging di oggetti deboli, e le sue oltre 1 miliardo di immagini di galassie.

L'ambizioso, Sforzo di 6 anni per catturare immagini e unirle insieme per questa mappa 2-D, che ha coinvolto 1, 405 notti di osservazione a tre telescopi in due continenti e anni di dati da un satellite spaziale, una fotocamera aggiornata per fotografare galassie incredibilmente deboli e lontane, 150 osservatori e altri 50 ricercatori da tutto il mondo. Lo sforzo ha richiesto anche 1 petabyte di dati, sufficiente per archiviare 1 milione di film, e 100 milioni di ore di CPU presso il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) del Berkeley Lab.

La mappa 2-D pone le basi per le osservazioni DESI, con l'obiettivo di risolvere il mistero dell'energia oscura

"Questa è la mappa più grande di quasi tutte le misure, " ha detto David Schlegel, scienziato co-progetto per DESI che ha guidato il progetto di imaging, noto come DESI Legacy Imaging Surveys. Schlegel è un cosmologo presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. che è l'istituzione capofila della collaborazione internazionale DESI.

La mappa copre metà del cielo, e si estende digitalmente su oltre 10 trilioni di pixel, che equivale a un mosaico di 833, 000 foto da smartphone ad alta risoluzione. La collaborazione DESI ha circa 600 scienziati partecipanti provenienti da 54 istituzioni in tutto il mondo.

Visibile pubblicamente su legacysurvey.org/viewer, la mappa Sky Viewer include 2 miliardi di oggetti, più della metà dei quali sono galassie, e numerosi filtri cliccabili per selezionare da specifici tipi di oggetti o rilievi. Alcuni degli oggetti sono etichettati singolarmente, e gli spettatori possono scegliere di visualizzare le costellazioni, Per esempio, e galassie e quasar che verranno ripresi dal DESI. I quasar sono tra gli oggetti più luminosi dell'universo, con buchi neri supermassicci al centro che emettono potenti getti di materia.

DESI è dotato di un array di 5, 000 girevole, robot automatizzati, ciascuna armata di un sottile cavo in fibra ottica che sarà puntato su singoli oggetti. Questi cavi raccoglieranno la luce da 35 milioni di galassie e 2,4 milioni di quasar durante i cinque anni di osservazioni DESI.

Lo scopo principale della compilazione dei dati della mappa 2-D è identificare questi obiettivi di galassie e quasar per DESI, che misureranno la loro luce per individuare il loro redshift e la distanza. Questo alla fine fornirà nuovi dettagli sulla misteriosa energia oscura che sta guidando l'espansione accelerata dell'universo.

Nathalie Palanque-Delabrouille, Co-portavoce DESI e cosmologo presso la Commissione francese per le energie alternative e l'energia atomica (CEA), notato che il tasso di espansione si è evoluto, e ci sono molte domande senza risposta sui cambiamenti di questo tasso.

"Il nostro universo ha avuto una storia sorprendente, " ha spiegato. "Durante la prima metà della sua vita, la sua espansione è stata guidata principalmente dalla materia oscura che contiene." La materia oscura è materia sconosciuta, che costituiscono l'85 percento di tutta la materia nell'universo e finora osservata solo indirettamente attraverso i suoi effetti gravitazionali sulla materia normale.

"Però, negli ultimi 7 miliardi di anni l'espansione del nostro universo ha gradualmente accelerato sotto l'influenza di una misteriosa energia oscura, " lei ha aggiunto, "e l'obiettivo di DESI è chiarire con precisione questo quadro generale svelando cos'è l'energia oscura".

Palanque-Delabrouille è stato coinvolto nello sforzo di scegliere obiettivi da osservare da DESI dai dati dei sondaggi. Ha notato che DESI raccoglierà la luce da un mix di galassie a diverse distanze, comprese le galassie luminose che si trovano entro 4 miliardi di anni luce dalla Terra, le cosiddette galassie rosse che ci permettono di vedere indietro fino a 8 miliardi di anni fa, galassie blu molto giovani o galassie "a linea di emissione" che andranno più indietro di 10 miliardi di anni fa, e infine quasar, che sono così luminosi che possono essere visti fino a 12 miliardi di anni luce di distanza.

"Essere riusciti a raccogliere ed elaborare questi dati di imaging è davvero un risultato importante. DESI non andrebbe da nessuna parte senza indagini di imaging così ampie, " lei disse.

Il software guida il piano di osservazione, e standardizza e unisce i dati di imaging

Mettere insieme tutte le immagini dei sondaggi DESI per creare una mappa del cielo senza soluzione di continuità non era un compito banale, ha spiegato Schlegel. "Uno degli obiettivi è ottenere un'immagine davvero uniforme unendo più osservazioni, " ha detto. "Abbiamo iniziato scattershot. E le fotocamere hanno delle lacune:mancano delle cose. Parte della sfida qui era pianificare il programma di osservazione in modo da poter colmare tutte le lacune:è stata un'enorme sfida logistica. Devi assicurarti che sia il più omogeneo possibile".

I tre sondaggi che compongono i DESI Legacy Imaging Surveys hanno condotto l'imaging in tre diversi colori, e ogni sondaggio ha preso tre immagini separate delle stesse aree del cielo per garantire una copertura completa. Questo nuovo, i dati di imaging a terra sono stati integrati anche dai dati di imaging della missione satellitare Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) della NASA, che ha raccolto immagini spaziali in quattro bande di luce infrarossa.

Per lo sforzo di raccolta dati di Legacy Imaging Surveys, Schlegel ha progettato un codice, migliorata nel tempo, che ha aiutato a calcolare l'approccio e i tempi migliori per catturare le immagini migliori per coprire completamente metà del cielo, considerando le ore di oscurità, tempo metereologico, tempo di esposizione, percorsi planetari e satellitari, e la luminosità e la posizione della luna, tra le altre variabili.

Dustin Lang, Scienziato di imaging DESI presso il Perimeter Institute for Theoretical Physics in Canada, ha svolto un ruolo chiave nella standardizzazione di tutti i dati di imaging dei rilievi a terra e in cielo e nel ricucirli insieme.

In alcune immagini, Lang ha osservato, "il cielo potrebbe essere davvero stabile e calmo, " mentre in un'altra notte "potremmo avere nuvole leggere o solo un'atmosfera turbolenta che causa sfocature nelle immagini." La sua sfida:sviluppare un software che riconoscesse i dati buoni senza diluirli con i dati cattivi. "A cosa volevamo pensare è come apparivano le stelle e le galassie sopra l'atmosfera, " Egli ha detto, e per assicurarsi che le immagini corrispondano anche quando sono state scattate in condizioni diverse.

Lang ha creato "Il trattore, " un cosiddetto modello del cielo "basato sull'inferenza", confrontare con i dati per la forma e la luminosità degli oggetti ripresi da diversi rilievi e per selezionare l'adattamento migliore. Il trattore ha attinto pesantemente alle risorse del supercomputer del NERSC del Berkeley Lab per elaborare i dati del Legacy Imaging Surveys e garantirne la qualità e la coerenza.

Era Lang, pure, che ha riconosciuto la potenziale popolarità dello strumento di visualizzazione creato per i dati di imaging, che è stato adattato dal software di mappatura stradale, e lo ha portato al pubblico come mappa interattiva Sky Viewer.

Lo strumento di visualizzazione, ha notato, è stato originariamente utilizzato dai ricercatori DESI per verificare le discrepanze dei dati nelle immagini dei sondaggi. Ha "trasformato il modo in cui il nostro team interagiva con i dati. All'improvviso sembrava molto più reale che potessimo semplicemente scorrere il cielo ed esplorare i singoli problemi con i nostri dati. Si è rivelato sorprendentemente potente".

I dati di imaging di 3 sondaggi seminano altre ricerche scientifiche

Arjun Dey, lo scienziato del progetto DESI per il NOIRLab della National Science Foundation, che include il sito dell'Osservatorio nazionale di Kitt Peak dove si trova DESI, è stato uno dei principali contributori a due dei tre sondaggi di imaging, servendo come scienziato capo per il Mayall z-band Legacy Survey (MzLS) svolto a Kitt Peak, e come scienziato co-leader con Schlegel per il Dark Energy Camera Legacy Survey (DECaLS) condotto presso un sito NOIRLab in Cile.

Il terzo sondaggio preparatorio DESI, noto come Beijing-Arizona Sky Survey o (BASS), è stato condotto a Kitt Peak e supportato da una collaborazione internazionale tra cui l'Accademia cinese delle scienze e l'Università dell'Arizona.

Ricercatori dalla Cina hanno effettuato più di 90 viaggi a Kitt Peak per effettuare osservazioni per BASS, che è stato supportato da una collaborazione internazionale tra cui i National Astronomical Observatories of China (NAOC) e l'Università dell'Arizona. "Un team di ricerca congiunto di oltre 40 persone provenienti da 11 istituti in Cina e negli Stati Uniti ha partecipato a BASS e ha contribuito al successo di questa pubblicazione di dati, " disse Hu Zou, un astrofisico presso il Key Laboratory of Optical Astronomy di Pechino e un ricercatore co-leader per BASS. "Questo team svolgerà anche un ruolo importante nel futuro dell'indagine DESI e delle scienze correlate, " Ha aggiunto.

Il sondaggio MzLS, nel frattempo, caratterizzato da una fotocamera ricostruita progettata per vedere la luce infrarossa emessa da lontano, galassie deboli. Dotato di quattro grandi, sensori di cattura della luce ultrasensibili, chiamati CCD, la telecamera di rilevamento MzLS ha prodotto immagini di galassie 10 volte più deboli di quelle campionate in un'indagine precedente. Lo stesso DESI è dotato di CCD molto simili che gli consentono di catturare la luce da oggetti fino a 12 miliardi di anni luce di distanza, ed entrambi i set di CCD sono stati sviluppati al Berkeley Lab.

Lo sforzo collettivo delle tre indagini, Dey ha detto, "era uno dei più uniformi, indagini profonde del cielo che siano mai state intraprese. È stato davvero emozionante partecipare".

Tutti i dati grezzi delle indagini di imaging sono stati rilasciati alla comunità scientifica e al pubblico. Questo rilascio di dati finali, noto come Data Release 9 o DR9, è stata preceduta da altri otto rilasci di dati. I dati hanno già generato diversi progetti di ricerca disparati, including citizen science efforts that utilize the wisdom of crowds.

Dey, along with 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, Per esempio.

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, which are small, 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."