Astronomowie ledwie zarysowali powierzchnię mapowania prawie nieskończonych gwiazd i galaktyk na niebie. Korzystając z superkomputerów, naukowcy z University of Texas w Austin ujawnili lokalizację ponad 200 000 nowych obiektów astronomicznych. Ich celem jest sporządzenie jeszcze większej mapy i wykorzystanie tej wiedzy do przewidzenia ostatecznego losu wszechświata.
Hobby-Eberly Telescope Dark Energy Experiment (HETDEX) skanuje ciemne niebo gór Davis w zachodnim Teksasie od 2017 r., skupiając się na przechwytywaniu danych spektroskopowych dotyczących światła o częstotliwości Lyman-alfa z neutralnej emisji wodoru w galaktykach oddalonych o ponad 10 miliardów lat świetlnych z dala. Galaktyki te emitują charakterystyczną długość fali światła z wodoru, która sygnalizuje astronomom intensywne tworzenie nowych gwiazd.
Współpraca HETDEX obejmuje duży zespół składający się z astronomów, inżynierów, techników i doktorantów z sześciu instytucji akademickich w Stanach Zjednoczonych i Niemczech.
Po raz pierwszy naukowcy skatalogowali obiekty astronomiczne – mapując ponad 51 863 galaktyk emitujących Lyman-alfa przy dużym przesunięciu ku czerwieni; 123 891 galaktyk tworzących gwiazdy przy niższym przesunięciu ku czerwieni; 5274 nieemisyjnych galaktyk liniowych o niskim przesunięciu ku czerwieni; i 4976 aktywnych jąder galaktycznych (AGN) – jasnych plam sygnalizujących obecność czarnych dziur.
Artykuł opisujący katalog został opublikowany w lutym 2023 roku w The Astrophysical Journal.
„Właśnie eksplodowaliśmy pod względem liczby skatalogowanych po raz pierwszy przesunięć ku czerwieni” – powiedziała współautorka badania, Erin Mentuch Cooper, naukowiec z University of Texas w Austin (UT Austin). Cooper jest menedżerem danych w projekcie HETDEX.
„W katalogu HETDEX znajduje się kopalnia złota eksploracji astronomii. To właśnie w nim kocham” – powiedział współautor badania, Karl Gebhardt, profesor astronomii Herman and Joan Suit w College of Natural Sciences, UT Austin. Gebhardt jest naukowcem projektu i głównym badaczem HETDEX.
Przesunięcie ku czerwieni gwiazdy mówi astronomom, jak szybko gwiazda oddala się od Ziemi, ponieważ jej częstotliwość, podobnie jak jej kolor, maleje wraz z oddalaniem się, podobnie jak klakson przejeżdżającego pociągu.
Im szybciej gwiazda się oddala, tym dalej się znajduje. Ta zależność między prędkością a odległością, zwana prawem Hubble’a, może określić lokalizację galaktyki i pozwala astronomom stworzyć trójwymiarową mapę ponad 200 000 gwiazd i galaktyk za pomocą HETDEX.
„To tylko niewielki procent tego, co znajdziemy, ale to dobry początek. Ostatecznie HETDEX ma na celu zmapowanie miliona galaktyk przesuniętych ku czerwieni” – powiedział Cooper.
HETDEX jest wyjątkowy w porównaniu z poprzednimi dużymi przeglądami nieba, ponieważ jest to przegląd nieukierunkowany, obejmujący niebo i zbierający widma z 35 000 kabli światłowodowych spektrografu VIRUS (ang. Visible Integral Field Replicaable Unit Spectrograph).
VIRUS pobiera światło gwiazd z odległych galaktyk i rozdziela je na składowe kolory, tak jak robi to pryzmat. HETDEX układa niebo, zbierając 35 000 widm na obszarze nieba wielkości księżyca i przemieszczając się z miejsca na miejsce. Gromadzi około 500-600 godzin obserwacji każdego roku dla swoich danych ankietowych.
„Mamy największy instrument spektroskopowy na planecie i przeprowadzamy jeden z najdłuższych przeglądów pod względem czasu” – powiedział Gebhardt. „Aby przeanalizować te dane, potrzebujemy najszybszego komputera, jaki możemy zdobyć, i właśnie tam wkracza TACC. TACC zajmuje się całym przechowywaniem danych i całą analizą danych dla tego gigantycznego badania”.
Dane z teleskopu trafiają bezpośrednio do systemu przechowywania danych TACC Corral za pośrednictwem szybkich łączy o szybkości 100 gigabitów na sekundę.
„TACC ciężko pracowało z nami nad usprawnieniem naszego systemu i działa on po prostu fantastycznie. W systemach TACC możemy przetworzyć lata danych w ciągu kilku dni, może nawet tygodnia. Robimy to wielokrotnie, ponieważ stale dostosowujemy i ulepszamy nasze metody” — dodał Gebhardt.
Firma HETDEX wykorzystała superkomputery Maverick i Stampede2 z Texas Advanced Computing Center, wiodącego akademickiego centrum superkomputerowego w UT Austin. Stampede2 jest finansowany przez National Science Foundation jako wspólny zasób dla tysięcy naukowców w całych Stanach Zjednoczonych. Pomogli przetworzyć i przeanalizować około 60 terabajtów danych obrazu w systemie Corral firmy TACC.
Co więcej, Cooper i współpracownicy współpracowali z TACC nad stworzeniem publicznego dostępu do danych w JupyterHub.
„Każdy, kto ma jakiekolwiek akademickie poświadczenia, może założyć konto TACC i przejść przez przeglądarkę internetową, aby uzyskać dostęp do naszych danych. Damy im dostęp do wszystkich naszych danych. To jest teraz tylko katalog. Ale przyszłość nadchodzi oferować dziedzictwo potencjału nauki z HETDEX. TACC pomaga to skonfigurować “- powiedział Cooper.
Ciekawym punktem katalogu jest identyfikacja aktywnych jąder galaktycznych (AGN) z silną emisją światła Lyman-alfa. Gebhadt jest współautorem badania prowadzonego przez habilitowanego badacza astronomii z UT Austin, Chenxu Liu, opublikowanego w listopadzie 2022 r. w The Astrophysical Journal. Przedstawia intrygujące dowody na istnienie czarnej dziury bez otaczającej ją galaktyki macierzystej.
„To właśnie nazywam„ nagimi czarnymi dziurami ”- powiedział Gebhardt. „Nic jeszcze nie zostało potwierdzone, ale podejrzewamy, że mogą tam być. Tylko ankieta taka jak HETDEX będzie w stanie je znaleźć”.
Nauka wygenerowana przez HETDEX uzupełnia szerszy obraz zrozumienia ekspansji całego Wszechświata, niespodziewanie rosnąc znacznie szybciej niż oczekiwano na podstawie precyzyjnych obserwacji supernowych z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a w 2019 r., które działają jak kosmiczna miara.
Święty Graal dla HETDEX to dokładna miara tempa rozszerzania się Wszechświata 10 miliardów lat temu, która ujawni fizyczny model ciemnej energii.
Astronomowie spierają się, jak wyjaśnić miarę obecnego tempa ekspansji. Zrozumienie tego może wymagać modyfikacji teorii grawitacji lub zmiany fundamentalnej teorii Wielkiego Wybuchu. Może to być dzieło nieodkrytej cząstki.
Dokładną wartość tempa ekspansji we wczesnym Wszechświecie można porównać z dzisiejszym tempem ekspansji. To porównanie może określić, czy Wszechświat będzie się rozszerzał w nieskończoność, czy też pewnego dnia zapadnie się sam w sobie za wiele miliardów lat.
„Istotą projektu HETDEX jest zmierzenie ekspansji wszechświata” – powiedział Gebhardt.
„Ten nowy katalog dostarcza cennych danych, ostatecznie odpowiadając na pytanie o„ milion galaktyk ”, nad którym współpraca HETDEX bardzo ciężko pracuje w nadchodzącym roku. Ale tutaj jest szerszy obraz i właśnie to oddajemy społeczności, nie tylko naukowcom na całym świecie, ale całej społeczności. Nie bylibyśmy w stanie wykonać tej pracy bez zasobów superkomputerowych i ekspertów z TACC, dzięki zapewnieniu nam mocy obliczeniowej do przeprowadzania wielu analiz danych i dalszego ulepszania proces.”