Avant DESI, l'instrument spectroscopique à énergie noire, peut commencer sa mission de 5 ans depuis le sommet d'une montagne en Arizona pour produire la plus grande carte du ciel en 3D à ce jour, les chercheurs avaient d'abord besoin d'une carte 2D encore plus grande de l'univers.

La carte 2D, reconstitué à partir de 200, 000 images de télescopes et plusieurs années de données satellitaires, manque d'informations sur les distances des galaxies, et DESI fournira cela et fournira d'autres détails utiles en mesurant les signatures de couleur et le « décalage vers le rouge » des galaxies et des quasars dans son étude. Les couleurs plus rouges des objets fournissent des informations révélatrices sur leur distance de la Terre et sur la vitesse à laquelle ils s'éloignent de nous - et ce phénomène est connu sous le nom de décalage vers le rouge.

À la fin, cette carte 2-D de l'univers est la plus grande jamais créée, en fonction de la surface de ciel couverte, sa profondeur dans l'imagerie d'objets faibles, et ses plus d'un milliard d'images de galaxies.

L'ambitieux, 6 ans d'efforts pour capturer des images et les assembler pour cette carte 2D, qui a impliqué 1, 405 nuits d'observation sur trois télescopes sur deux continents et des années de données d'un satellite spatial, une caméra améliorée pour imager des galaxies incroyablement faibles et distantes, 150 observateurs et 50 autres chercheurs du monde entier. L'effort a également nécessité 1 pétaoctet de données - assez pour stocker 1 million de films - et 100 millions d'heures CPU au Centre national de calcul scientifique de la recherche énergétique de Berkeley Lab (NERSC).

La carte 2D ouvre la voie aux observations DESI, dans le but de résoudre le mystère de l'énergie noire

"C'est la plus grande carte par presque n'importe quelle mesure, " a déclaré David Schlegel, scientifique co-projet pour DESI qui a mené le projet d'imagerie, connu sous le nom d'enquêtes sur l'imagerie héritée DESI. Schlegel est cosmologiste au Lawrence Berkeley National Laboratory (Laboratoire de Berkeley) du département américain de l'Énergie, qui est l'institution chef de file de la collaboration internationale DESI.

La carte couvre la moitié du ciel, et s'étend numériquement sur plus de 10 000 milliards de pixels, ce qui équivaut à une mosaïque de 833, 000 photos de smartphone haute résolution. La collaboration DESI compte environ 600 scientifiques participants de 54 institutions à travers le monde.

Visible publiquement sur legacysurvey.org/viewer, la carte Sky Viewer comprend 2 milliards d'objets, dont plus de la moitié sont des galaxies, et de nombreux filtres cliquables pour sélectionner des types d'objets ou des enquêtes spécifiques. Certains objets sont étiquetés individuellement, et les téléspectateurs peuvent choisir d'afficher des constellations, par exemple, et les galaxies et les quasars qui seront imagés par DESI. Les quasars sont parmi les objets les plus brillants de l'univers, avec des trous noirs supermassifs en leur centre qui émettent de puissants jets de matière.

DESI est équipé d'un tableau de 5, 000 pivotant, robots automatisés, chacun portant un câble à fibre optique mince qui sera pointé sur des objets individuels. Ces câbles recueilleront la lumière de 35 millions de galaxies et 2,4 millions de quasars pendant les cinq années d'observation de DESI.

L'objectif principal de la compilation des données cartographiques 2D est d'identifier ces cibles de galaxies et de quasars pour DESI, qui mesurera leur lumière pour déterminer leur décalage vers le rouge et leur distance. Cela fournira finalement de nouveaux détails sur la mystérieuse énergie noire qui entraîne l'accélération de l'expansion de l'univers.

Nathalie Palanque-Delabrouille, Co-porte-parole du DESI et cosmologue au Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), constaté que le taux d'expansion a évolué, et il y a beaucoup de questions sans réponse sur les changements de ce taux.

"Notre univers a eu une histoire surprenante, " expliqua-t-elle. " Pendant la première moitié de sa vie, son expansion était principalement due à la matière noire qu'elle contient." La matière noire est une matière inconnue, constituant 85 pour cent de toute la matière de l'univers et n'est jusqu'à présent observé qu'indirectement à travers ses effets gravitationnels sur la matière normale.

"Toutefois, au cours des 7 derniers milliards d'années, l'expansion de notre univers s'est progressivement accélérée sous l'influence d'une mystérieuse énergie noire, " elle a ajouté, "et le but de DESI est de clarifier précisément cette image globale en dévoilant ce qu'est l'énergie noire."

Palanque-Delabrouille a participé à l'effort de sélection de cibles à observer par DESI à partir des données des relevés. Elle a noté que DESI recueillera la lumière d'un mélange de galaxies à plusieurs distances, y compris les galaxies brillantes situées à moins de 4 milliards d'années-lumière de la Terre, les galaxies dites rouges qui nous permettent de voir il y a 8 milliards d'années, de très jeunes galaxies bleues ou galaxies "à raies d'émission" qui remonteront plus loin il y a 10 milliards d'années, et finalement les quasars, qui sont si brillants qu'ils peuvent être vus jusqu'à 12 milliards d'années-lumière.

« Avoir réussi à collecter et à traiter ces données d'imagerie est vraiment une réussite majeure. DESI n'irait nulle part sans ces grandes enquêtes d'imagerie, " elle a dit.

Le logiciel guide le plan d'observation, et standardise et assemble les données d'imagerie

Reconstituer toutes les images des enquêtes DESI pour créer une carte du ciel homogène n'était pas une tâche triviale, Schlegel a expliqué. "L'un des objectifs est d'obtenir une image vraiment uniforme en assemblant plusieurs observations, " at-il dit. "Nous avons commencé par scattershot. Et les caméras ont des lacunes, elles manquent des choses. Une partie du défi ici consistait à planifier le programme d'observation afin que vous puissiez combler toutes les lacunes – c'était un énorme défi logistique. Il faut faire en sorte qu'il soit le plus homogène possible."

Les trois sondages qui composent le DESI Legacy Imaging Surveys ont réalisé une imagerie dans trois couleurs différentes, et chaque enquête a pris trois images distinctes des mêmes zones du ciel pour assurer une couverture complète. Ce nouveau, les données d'imagerie au sol ont également été complétées par des données d'imagerie de la mission satellite Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) de la NASA, qui a collecté des images spatiales dans quatre bandes de lumière infrarouge.

Pour l'effort de collecte de données des Legacy Imaging Surveys, Schlegel a conçu un code, amélioré au fil du temps, qui a permis de calculer la meilleure approche et le meilleur timing pour capturer les meilleures images pour couvrir complètement la moitié du ciel, compte tenu des heures d'obscurité, conditions météorologiques, temps d'exposition, trajectoires planétaires et satellites, et la luminosité et l'emplacement de la lune, entre autres variables.

Dustin Lang, Scientifique en imagerie DESI à l'Institut Périmètre de physique théorique au Canada, a joué un rôle clé dans la standardisation de toutes les données d'imagerie des relevés au sol et dans le ciel et dans leur assemblage.

Dans certaines images, Lang a noté, "le ciel pourrait être vraiment stable et calme, " tandis qu'une autre nuit " on pourrait avoir de légers nuages ​​ou juste une atmosphère turbulente qui provoque des flous dans les images. " Son défi :développer un logiciel qui reconnaisse les bonnes données sans les diluer avec les mauvaises données. " Ce à quoi nous voulions penser c'est à quoi ressemblaient les étoiles et les galaxies au-dessus de l'atmosphère, " il a dit, et pour s'assurer que les images correspondent même lorsqu'elles ont été prises dans des conditions différentes.

Lang a créé "Le Tracteur, " un modèle du ciel dit " basé sur l'inférence ", comparer avec les données de forme et de luminosité des objets imagés par différentes enquêtes et sélectionner le meilleur ajustement. Le tracteur s'est fortement appuyé sur les ressources des superordinateurs du NERSC de Berkeley Lab pour traiter les données des Legacy Imaging Surveys et assurer leur qualité et leur cohérence.

C'était Lang, trop, qui a reconnu la popularité potentielle de l'outil de visualisation créé pour les données d'imagerie - qui a été adapté à partir d'un logiciel de cartographie des rues - et l'a présenté au public sous le nom de carte interactive Sky Viewer.

L'outil de visualisation, il a noté, a été utilisé à l'origine par les chercheurs de DESI pour vérifier les écarts de données dans les images des enquêtes. Cela "a transformé la façon dont notre équipe interagissait avec les données. Il nous a soudainement semblé beaucoup plus réel que nous puissions simplement faire défiler le ciel et explorer les problèmes individuels avec nos données. Cela s'est avéré étonnamment puissant."

Les données d'imagerie de 3 enquêtes alimentent d'autres recherches scientifiques

Arjun Dey, le scientifique du projet DESI pour le NOIRLab de la National Science Foundation, qui comprend le site de l'observatoire national de Kitt Peak où se trouve DESI, a été un contributeur majeur à deux des trois enquêtes d'imagerie, en tant que scientifique principal pour le Mayall z-band Legacy Survey (MzLS) réalisé à Kitt Peak, et en tant que co-responsable scientifique avec Schlegel pour le Dark Energy Camera Legacy Survey (DECaLS) réalisé sur un site NOIRLab au Chili.

La troisième enquête préparatoire DESI, connu sous le nom de Beijing-Arizona Sky Survey ou (BASS), a été menée à Kitt Peak et soutenue par une collaboration internationale comprenant l'Académie chinoise des sciences et l'Université de l'Arizona.

Des chercheurs chinois ont effectué plus de 90 voyages à Kitt Peak pour effectuer des observations pour BASS, qui a été soutenu par une collaboration internationale comprenant les observatoires astronomiques nationaux de Chine (NAOC) et l'Université de l'Arizona. "Une équipe de recherche conjointe de plus de 40 personnes provenant de 11 instituts en Chine et aux États-Unis a participé à BASS et a contribué au succès de cette publication de données, " dit Hu Zou, astrophysicien au Key Laboratory of Optical Astronomy à Pékin et co-investigateur principal pour BASS. "Cette équipe jouera également un rôle important dans l'avenir de l'enquête DESI et des sciences connexes, " il ajouta.

L'enquête MzLS, pendant ce temps, comportait une caméra reconstruite conçue pour voir la lumière infrarouge émise à distance, galaxies faibles. Equipé de quatre grands, capteurs photosensibles ultrasensibles, appelés CCD, la caméra de surveillance MzLS a produit des images de galaxies 10 fois plus faibles que celles échantillonnées lors d'une enquête précédente. DESI lui-même est équipé de capteurs CCD très similaires qui lui permettent de capturer la lumière d'objets jusqu'à 12 milliards d'années-lumière, et les deux ensembles de CCD ont été développés au Berkeley Lab.

L'effort collectif des trois enquêtes, Dey a dit, "était l'un des plus uniformes, des sondages profonds du ciel jamais entrepris. C'était vraiment excitant de participer."

Toutes les données brutes des relevés d'imagerie ont été communiquées à la communauté scientifique et au public. Cette version finale des données, connu sous le nom de Data Release 9 ou DR9, a été précédé de huit autres publications de données. Les données ont déjà engendré plusieurs projets de recherche disparates, 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, par exemple.

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."