На вершине горы в северной части Чили учёные скрупулезно собирают компоненты одной из самых передовых астрономических обсерваторий в истории, названной в честь американского астронома Веры Рубин (NSF-DOE Vera C. Rubin Observatory). В её арсенале инновационный телескоп и крупнейшая в мире цифровая камера, которые позволят провести десятилетнее исследование космоса (LSST), в ходе которого будет получено 5,5 миллионов изображений, богатых набором данных. LSST предоставит астрономам и космологам беспрецедентный объём информации, превосходящий все предыдущие обзоры вместе взятые.
Учёные из Аргоннской национальной лаборатории DOE, активно участвующие в научном сотрудничестве по изучению тёмной энергии LSST (DESC), стремятся раскрыть истинную природу тёмной энергии и тёмной материи. Эти загадочные элементы, вместе составляющие 95% всей энергии и материи во Вселенной, до сих пор мало изучены. Тёмная материя проявляется в формировании и движении галактик, но остаётся невидимой для учёных. Тёмная энергия, в свою очередь, ответственна за ускоряющееся расширение Вселенной, причина которого также остаётся неизвестной.
«Сейчас мы понятия не имеем, каково их физическое происхождение, но у нас есть теории. С LSST и обсерваторией имени Веры Рубин мы действительно думаем, что сможем получить хорошие ограничения на то, чем могут быть тёмная материя и тёмная энергия, что поможет сообществу исследовать наиболее перспективные направления», — говорит Катрин Хайтманн, заместитель директора отдела физики высоких энергий (HEP) Аргоннского университета.
В рамках подготовки к LSST учёные Аргонна проводят космологические моделирования, рассматривая теории об определённых свойствах тёмной материи и тёмной энергии. Они моделируют эволюцию Вселенной, чтобы сопоставить теории с признаками, которые исследование может обнаружить. Например, как бы выглядела сегодня Вселенная, если бы тёмная материя имела небольшую температуру, или если бы тёмная энергия была сверхсильной сразу после того, как Вселенная началась? Моделирование позволяет предсказать, какие особенности фактически появятся в реальных данных LSST, указывающие на истинность определённой теории.
Для выполнения симуляций учёные Аргонна используют вычислительные ресурсы Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), включая суперкомпьютер Aurora — одну из первых в мире машин, способную выполнять более одного квинтиллиона вычислений в секунду. «Впечатляющая память и скорость Aurora позволят нам моделировать большие объёмы Вселенной и учитывать больше физики в симуляциях, чем когда-либо прежде, сохраняя при этом достаточно высокое разрешение для правильного отображения важных деталей», — отмечает Хайтманн.
Во время LSST свет, испущенный на заре Вселенной далёкими галактиками, достигнет обсерватории. Датчики на камере обсерватории преобразуют свет в данные, которые будут передаваться с горы в несколько центров данных проекта по всему миру. Затем эти центры подготовят данные для отправки более широкому сообществу для анализа.
Физик из Аргонна Мэтью Беккер тесно сотрудничает с проектом в разработке алгоритма обработки данных, позволяющего исследовать тёмную материю и тёмную энергию с помощью явления слабого гравитационного линзирования. «Когда свет от далёких галактик движется к обсерватории, на его путь влияет гравитационное притяжение массы, находящейся между ними, включая тёмную материю. Это означает, что, как их увидит обсерватория, формы и ориентации галактик слегка коррелируют на небе. Если мы сможем измерить эту корреляцию, то сможем узнать о распределении материи, включая тёмную материю, во Вселенной», — объясняет Беккер.
Сигналы, указывающие на гравитационное линзирование в данных LSST, будут слабыми, поэтому учёным потребуется много данных, чтобы убедиться в точности измерений. После завершения LSST сгенерирует 60 петабайт данных изображений. Беккер и его коллеги разрабатывают методы сжатия данных, чтобы сделать анализ управляемым и плодотворным, а также определяют уровень уверенности, который сообщество может ожидать от выводов, сделанных на основе сжатых данных.
«Если мы знаем, насколько мы можем быть уверены в нашем анализе, это позволяет сравнивать наши результаты с другими обзорами, чтобы понять текущее состояние знаний всей космологии. С данными от LSST всё станет гораздо интереснее», — говорит Беккер.
