El estudio del cielo más ambicioso develaría la materia oscura y la energía oscura

En una montaña del norte de Chile, los científicos están ensamblando cuidadosamente los intrincados componentes del Observatorio Vera C. Rubin del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE), una de las instalaciones astronómicas más avanzadas de la historia. Equipado con un telescopio innovador y la cámara digital más grande del mundo, el observatorio pronto comenzará el Legacy Survey of Space and Time (LSST).

A lo largo de los 10 años de exploración del cosmos del LSST, el Observatorio Rubin tomará 5,5 millones de imágenes del cielo ricas en datos. Más amplio y profundo en volumen que todos los sondeos anteriores combinados, el LSST proporcionará una cantidad de información sin precedentes a los astrónomos y cosmólogos que trabajan para responder algunas de las preguntas más fundamentales de la ciencia.

Muy involucrados en la Dark Energy Science Collaboration (DESC) del LSST, los científicos del Laboratorio Nacional Argonne del DOE están trabajando para descubrir la verdadera naturaleza de la energía oscura y la materia oscura. En preparación para el LSST, están realizando simulaciones cosmológicas avanzadas y trabajando con el Observatorio Rubin para dar forma y procesar sus datos para maximizar el potencial de descubrimiento.

Simulación del lado oscuro

Juntas, la energía oscura y la materia oscura constituyen un asombroso 95% de la energía y la materia del universo, pero los científicos entienden muy poco sobre ellas. Ven los efectos de la materia oscura en la formación y el movimiento de las galaxias, pero cuando la buscan, parece que no está allí. Mientras tanto, el espacio mismo se expande cada vez más rápido con el tiempo, y los científicos no saben por qué. Se refieren a esta influencia desconocida como energía oscura.

«En este momento, no tenemos ni idea de cuáles son sus orígenes físicos, pero tenemos teorías», dijo Katrin Heitmann, subdirectora de la división de Física de Altas Energías (HEP) de Argonne. «Con el LSST y el Observatorio Rubin, realmente creemos que podemos obtener buenas limitaciones sobre lo que podrían ser la materia oscura y la energía oscura, lo que ayudará a la comunidad a seguir las direcciones más prometedoras».

En preparación para el LSST, los científicos de Argonne están tomando teorías sobre atributos particulares de la materia oscura y la energía oscura y simulando la evolución del universo bajo esas suposiciones.

Es importante que los científicos encuentren formas de relacionar sus teorías con las señales que el estudio puede realmente detectar. Por ejemplo, ¿cómo se vería el universo hoy si la materia oscura tuviera una temperatura leve, o si la energía oscura fuera súper fuerte justo después del comienzo del universo? Tal vez algunas estructuras terminarían más borrosas, o tal vez las galaxias se agruparían de cierta manera.

Las simulaciones pueden ayudar a los investigadores a predecir qué características aparecerán realmente en los datos del mundo real del LSST que indicarían que una determinada teoría es verdadera.

Las simulaciones también permiten que la colaboración valide el código que utilizarán para procesar y analizar los datos. Por ejemplo, junto con LSST DESC y la colaboración detrás del Telescopio Espacial Nancy Grace Roman de la NASA, los científicos de Argonne simularon recientemente imágenes del cielo nocturno como cada telescopio lo verá realmente. Para garantizar que su software funcione como se espera, los científicos pueden probarlo en estos datos de imágenes simuladas limpias antes de comenzar a procesar la cosa real.

Para realizar sus simulaciones, los científicos de Argonne aprovechan los recursos computacionales de la Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía. Entre su conjunto de supercomputadoras, la ALCF alberga a Aurora, una de las primeras máquinas de exaescala del mundo, que puede realizar más de un quintillón (o mil millones de billones) de cálculos por segundo.

«La impresionante memoria y velocidad de Aurora nos permitirá simular volúmenes más grandes del universo y tener en cuenta más física en las simulaciones que nunca antes, manteniendo al mismo tiempo una resolución lo suficientemente alta como para captar correctamente los detalles importantes», dijo Heitmann, quien anteriormente se desempeñó como portavoz del LSST DESC.

Qué esperar cuando se espera una cantidad astronómica de datos

Durante el LSST, la luz emitida hace mucho tiempo desde galaxias lejanas llegará al observatorio. Los sensores de la cámara del observatorio convertirán la luz en datos, que viajarán desde la montaña a varias instalaciones de datos del Proyecto Rubin en todo el mundo. Estas instalaciones luego prepararán los datos para ser enviados a la comunidad más grande para su análisis.

Como parte del LSST DESC, los científicos de Argonne están trabajando actualmente con el Observatorio Rubin para garantizar que los datos se procesen de maneras que sean más propicias para sus objetivos científicos. Por ejemplo, el físico de Argonne Matthew Becker trabaja en estrecha colaboración con el Proyecto Rubin para desarrollar algoritmos de procesamiento de datos que permitan la investigación de la materia oscura y la energía oscura a través de un fenómeno llamado lente gravitacional débil.

«A medida que la luz de las galaxias distantes viaja al observatorio, su trayectoria se ve influenciada por la atracción gravitatoria de la masa intermedia, incluida la materia oscura», dijo Becker.

«Esto significa que, tal como las verá el observatorio, las formas y orientaciones de las galaxias están ligeramente correlacionadas en el cielo. Si podemos medir esta correlación, podemos aprender sobre la distribución de la materia, incluida la materia oscura, en el universo».

El efecto de lente gravitacional débil también puede revelar cómo ha cambiado la estructura del universo con el tiempo, lo que podría arrojar luz sobre la naturaleza de la energía oscura. El desafío es que las señales que indican un efecto de lente gravitacional débil en los datos del LSST serán, bueno, débiles. La fuerza de la señal que buscan los científicos será aproximadamente 30 veces menor que el nivel esperado de ruido, o perturbación de señal no deseada, en los datos.

Esto significa que los científicos necesitan una gran cantidad de datos para asegurarse de que sus mediciones sean precisas, y están a punto de conseguirlo. Una vez completado, el LSST habrá generado 60 petabytes de datos de imágenes, o 60 millones de gigabytes. Se necesitarían más de 11.000 años de ver Netflix para utilizar esa cantidad de datos.

Becker y sus colegas están desarrollando métodos para comprimir los datos y hacer que el análisis sea manejable y fructífero. Por ejemplo, al combinar imágenes de las mismas partes del cielo tomadas en diferentes momentos, los científicos pueden corroborar características en las imágenes para descubrir correlaciones en las formas de las galaxias que de otro modo podrían haber sido demasiado tenues para detectar.

Becker también se centra en determinar el nivel de confianza que la comunidad puede esperar tener en las conclusiones extraídas de los datos comprimidos.

«Si sabemos cuán seguros podemos estar en nuestro análisis, nos permite comparar nuestros resultados con otros experimentos para comprender el estado actual del conocimiento en toda la cosmología», dijo Becker. «Con los datos del LSST, las cosas están a punto de volverse mucho más interesantes».

Con información del Laboratorio Nacional Argonne