Vedere per credere, o così dice il proverbio.

E in alcuni casi, un mondo di finzione può aiutarti a realizzare ciò che stai effettivamente vedendo, pure.

Gli scienziati stanno creando universi simulati, per esempio - completo di modelli di materia oscura, galassie generate al computer, quasi quasar, e pseudo supernovae - per comprendere meglio le osservazioni del mondo reale.

Il loro scopo è immaginare come i nuovi sondaggi celesti basati sulla Terra e sullo spazio vedranno l'universo, e per aiutare ad analizzare e interpretare i vasti tesori di dati che questi sondaggi accumuleranno.

"Vogliamo essere in grado di partire con il piede giusto una volta ottenuti dati reali, " ha detto Stephen Bailey, un fisico presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia, che è il capo tecnico e manager dei sistemi di dati per un progetto di mappatura del cielo 3D noto come Dark Energy Spectroscopic Instrument, o DESI, che dovrebbe iniziare a osservare nel 2019.

Diversi team DESI stanno costruendo simulazioni separate popolate con i molti tipi di oggetti che DESI incontrerà. "Come sarà questo per DESI?" chiese Bailey. "Quali sono gli spettri reali, o firma leggera, che DESI osserverà? Dobbiamo assicurarci che gli oggetti simulati abbiano i giusti colori e le giuste abbondanze chimiche".

Giovanni Moustakas, un assistente professore di fisica al Siena College di New York che sta anche lavorando alle simulazioni per DESI, aggiunto, "E questo è impegnativo perché non esiste niente come DESI."

I modelli computerizzati sono informati dalle osservazioni di precedenti indagini e da simulazioni su larga scala dell'universo che spiegano la fisica complessa, inclusa la materia oscura, una forma sconosciuta di materia che, insieme all'energia oscura, costituisce circa il 95% della massa e dell'energia totali nell'universo.

"Per quanto possibile, le simulazioni si basano su modelli di oggetti reali – dall'estrazione di tutti questi pezzi da altri rilievi, " disse Moustakas. "Forse in un mondo perfetto questi sarebbero modelli puramente teorici, ma non capiamo abbastanza bene le galassie per essere in grado di farlo".

E anche se ci sono dati da sondaggi precedenti, DESI vedrà il cielo in modo diverso. "Devi estrarre tutte le parti dello strumento di tutte queste altre indagini per arrivare a:'Questo è l'aspetto delle altre galassie, intrinsecamente, '" ha detto. Successivamente, Egli ha detto, gli scienziati devono capire come li vedrà il set unico di strumenti di DESI.

Gli oggetti e gli universi simulati creati e perfezionati utilizzando potenti supercomputer, tra cui il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) del Berkeley Lab, deve infine tenere conto del rumore atmosferico della Terra, e condizioni meteorologiche e di illuminazione, comprese le fasi lunari, che influenzano tutte le osservazioni.

DESI opererà dal telescopio da 4 metri Nicholas U. Mayall al Kitt Peak National Observatory in Arizona. Misurerà la luce di decine di milioni di galassie e altri oggetti con una serie accuratamente coreografata di 5, 000 robot girevoli, ognuno dei quali punta un cavo in fibra ottica su un oggetto spaziale mirato. L'array robotico passerà attraverso una sequenza di oggetti, sbirciando fino a 11 miliardi di anni indietro nella storia del nostro universo.

La luce catturata da DESI fornirà misurazioni precise che aiuteranno gli scienziati a ripercorrere l'evoluzione dell'universo e a saperne di più sull'energia oscura, responsabile del mistero dell'universo, espansione accelerata. Berkeley Lab è il laboratorio principale del progetto DESI, e la collaborazione ora coinvolge circa 200 scienziati in 40 istituzioni.

Alex Smith, uno studente laureato alla Durham University in Inghilterra e un membro della collaborazione DESI, ha lavorato con un team per sviluppare un finto catalogo di galassie per DESI che attinge a una potente simulazione di come la materia dell'universo si è evoluta negli ultimi 13 miliardi di anni.

Effettuato presso il Jülich Supercomputer Center in Germania, questa simulazione Millennium-XXL ha utilizzato 12, 000 core di computer:l'equivalente di circa 300 anni di tempo di elaborazione del computer. Ha generato circa 100 terabyte di dati, che sono quasi tanti dati quanti il ​​telescopio spaziale Hubble ha trasmesso nelle immagini spaziali durante i suoi primi 24 anni di attività.

Il finto catalogo di galassie sviluppato dal team di Smith si è concentrato sullo stesso terzo del cielo che DESI rileverà. Il catalogo mostra come l'ammasso delle galassie e il "redshift" - il colore in base alla loro distanza e al movimento lontano da noi - cambiano nel tempo e probabilmente appariranno a DESI.

A causa dell'espansione cosmica, gli oggetti molto distanti appaiono più rossi e più deboli. I cataloghi simulati precedenti non avevano tenuto conto di questi cambiamenti nel redshift, ha detto Smith.

"È importante disporre di cataloghi fittizi con proprietà realistiche, che assomiglino a come pensiamo che sarà il sondaggio effettivo, " Ha aggiunto.

L'indagine del suo team ha utilizzato un metodo noto come distribuzione dell'occupazione dell'alone, o HOD, modellare il numero medio di galassie e la loro luminosità sulla base delle simulazioni dettagliate della distribuzione della materia oscura dell'indagine Millennium-XXL. Nei modelli di materia oscura, la materia si forma all'interno di gruppi di materia oscura noti come aloni, e le galassie sono avvolte da questi aloni.

Smith ha notato che la distribuzione delle galassie all'interno di questi aloni, e altre proprietà incorporate nell'ultimo catalogo, sono tratti da dati raccolti in precedenti sondaggi, compreso lo Sloan Digital Sky Survey e il Galaxy and Mass Assembly Survey.

Le galassie a catalogo sono semplificate per la loro luminosità, come apparirà in una delle bande di lunghezza d'onda che DESI starà scansionando. Il finto catalogo ha anche lo scopo di simulare il tipo di galassie che saranno presi di mira durante condizioni del cielo che favoriscono oggetti più luminosi, come quelli che esistono intorno ai tempi delle albe e dei tramonti, o quando la luna è più luminosa nel cielo, Per esempio. Simulazioni separate terranno conto delle condizioni di visualizzazione più scure.

"Il finto catalogo che ho creato presuppone che tu possa osservare tutto con perfetta precisione, "Smith ha osservato, quindi sarà necessario aggiungere proprietà aggiuntive per simulare il tempo e altri effetti. La collaborazione DESI ha accesso a un decennio di statistiche meteorologiche raccolte presso il Kitt Peak National Observatory, ha detto Bailey.

Anche dopo l'inizio dell'indagine di DESI, gli scienziati della collaborazione continueranno ad adattare e migliorare i modelli.

"C'è una componente di apprendimento in esso, " disse Moustakas. "Mentre iniziamo ad osservare le cose, useremo quindi quegli oggetti mirati per costruire modelli migliori di ciò che sono quegli oggetti".

Anche affidarsi troppo alle simulazioni può essere un problema, Gli scienziati del DESI hanno notato, quindi le osservazioni forniranno un necessario controllo di realtà. Per esempio, oggetti superluminosi chiamati quasar, che sono tra gli obiettivi di DESI, sono stati particolarmente difficili da simulare.

"Non vorrai credere troppo alle tue simulazioni, perché la natura è molto più dura, " disse Moustakas.

Bailey ha aggiunto, "Attualmente stiamo avviando altri esperimenti; poi lo faremo da soli".

Smith ha notato che per prepararsi a sondaggi sempre più grandi, ci sarà bisogno di modelli più dettagliati e accurati per comprendere la natura dell'energia oscura e della gravità, Per esempio.

"Per essere in grado di effettuare misurazioni cosmologiche con l'elevata precisione richiesta per poter distinguere tutti questi modelli possibili, è davvero importante avere cataloghi finti sempre più realistici, " Egli ha detto.