Astronomen haben kaum an der Oberfläche der Kartierung der nahezu endlosen Sterne und Galaxien des Himmels gekratzt. Mithilfe von Supercomputern haben Forscher der University of Texas at Austin nun die Standorte von mehr als 200.000 neuen astronomischen Objekten enthüllt. Ihr Ziel ist es, noch mehr Karten zu erstellen und dieses Wissen zu nutzen, um das endgültige Schicksal des Universums vorherzusagen.
Das Hobby-Eberly Telescope Dark Energy Experiment (HETDEX) scannt seit 2017 den dunklen Himmel der Davis Mountains in Westtexas mit einem scharfen Blick auf die Erfassung spektroskopischer Daten über Lyman-Alpha-Frequenzlicht aus neutraler Wasserstoffemission in Galaxien über 10 Milliarden Lichtjahre weg. Diese Galaxien emittieren eine charakteristische Lichtwellenlänge von Wasserstoff, die Astronomen die intensive Entstehung neuer Sterne signalisiert.
An der HETDEX-Zusammenarbeit ist ein großes Team beteiligt, darunter Astronomen, Ingenieure, Techniker und Doktoranden von sechs akademischen Einrichtungen in den Vereinigten Staaten und Deutschland.
Zum ersten Mal haben die Forscher astronomische Objekte katalogisiert und über 51.863 Lyman-alpha-emittierende Galaxien bei hoher Rotverschiebung kartiert; 123.891 sternbildende Galaxien bei geringerer Rotverschiebung; 5.274 Nicht-Emissions-Liniengalaxien bei niedriger Rotverschiebung; und 4.976 aktive galaktische Kerne (AGN) – helle Flecken, die das Vorhandensein von Schwarzen Löchern signalisieren.
Das Papier, das den Katalog beschreibt, wird im Februar 2023 in veröffentlicht Das Astrophysikalische Journal.
„Wir sind gerade in Bezug auf die Anzahl der zum ersten Mal katalogisierten Rotverschiebungen explodiert“, sagte die Co-Autorin der Studie, Erin Mentuch Cooper, eine Forschungswissenschaftlerin an der University of Texas in Austin (UT Austin). Cooper ist der Datenmanager für das HETDEX-Projekt.
„Der HETDEX-Katalog ist eine Goldmine der astronomischen Erforschung. Das liebe ich daran“, sagte Studien-Co-Autor Karl Gebhardt, Herman and Joan Suit Professor für Astronomie am College of Natural Sciences, UT Austin. Gebhardt ist Projektwissenschaftler und Principal Investigator von HETDEX.
Die Rotverschiebung eines Sterns sagt Astronomen, wie schnell sich ein Stern von der Erde entfernt, weil seine Frequenz, ähnlich wie seine Farbe, niedriger wird, wenn er sich entfernt, ähnlich wie die Hupe eines vorbeifahrenden Zuges.
Je schneller sich ein Stern entfernt, desto weiter entfernt ist er. Diese Beziehung zwischen Geschwindigkeit und Entfernung, Hubbles Gesetz genannt, kann den Standort einer Galaxie bestimmen und ermöglicht es Astronomen, mit HETDEX eine 3D-Karte von über 200.000 Sternen und Galaxien zu erstellen.
„Das ist nur ein kleiner Prozentsatz dessen, was wir finden werden, aber es ist ein guter Anfang. Letztendlich zielt HETDEX darauf ab, eine Million rotverschobene Galaxien zu kartieren“, sagte Cooper.
HETDEX ist einzigartig gegenüber früheren großen Himmelsdurchmusterungen, da es sich um eine nicht zielgerichtete Durchmusterung handelt, die den Himmel bedeckt und Spektren von den 35.000 Glasfaserkabeln des Visible Integral Field Replicable Unit Spectrograph (VIRUS) sammelt.
VIRUS nimmt Sternenlicht aus fernen Galaxien auf und zerlegt das Licht wie ein Prisma in seine Farbkomponenten. HETDEX kachelt den Himmel, sammelt 35.000 Spektren in einem mondgroßen Himmelsstreifen und bewegt sich von Punkt zu Punkt. Es sammelt jedes Jahr etwa 500-600 Stunden Beobachtungen für seine Erhebungsdaten.
„Wir haben das größte spektroskopische Instrument der Welt und führen eine der zeitlich längsten Vermessungen durch“, sagte Gebhardt. „Um diese Daten zu analysieren, brauchen wir den schnellsten Computer, den wir bekommen können, und hier kommt TACC ins Spiel. TACC übernimmt die gesamte Datenspeicherung und die gesamte Datenanalyse für diese riesige Umfrage.“
Die Daten vom Teleskop werden über Hochgeschwindigkeitsleitungen mit 100 Gigabit/Sekunde direkt zum TACC Corral-Datenspeichersystem geleitet.
„TACC hat hart mit uns zusammengearbeitet, um unser System zu rationalisieren, und es funktioniert einfach fantastisch. Wir können jahrelange Daten in ein paar Tagen, vielleicht einer Woche, auf TACC-Systemen verarbeiten. Und wir tun es mehrmals, weil wir uns ständig anpassen und unsere Methoden zu verbessern“, fügte Gebhardt hinzu.
HETDEX verwendete die Supercomputer Maverick und Stampede2 des Texas Advanced Computing Center, eines führenden akademischen Supercomputing-Zentrums an der UT Austin. Stampede2 wird von der National Science Foundation als gemeinsame Ressource für Tausende von Wissenschaftlern in den USA finanziert. Sie halfen bei der Verarbeitung und Analyse von etwa 60 Terabyte Bilddaten auf dem Corral-System von TACC.
Darüber hinaus haben Cooper und seine Kollegen mit TACC zusammengearbeitet, um JupyterHub öffentlichen Zugriff auf die Daten zu verschaffen.
„Jeder mit akademischen Qualifikationen kann ein TACC-Konto erstellen und über einen Webbrowser auf unsere Daten zugreifen. Wir werden ihnen den Zugriff auf alle unsere Daten ermöglichen. Dies ist im Moment nur der Katalog. Aber die Zukunft geht um ein Legacy-Potenzial der Wissenschaft von HETDEX anzubieten. TACC hilft beim Aufbau“, sagte Cooper.
Ein interessantes Highlight aus dem Katalog ist die Identifizierung eines aktiven galaktischen Kerns (AGN) mit starker Lyman-Alpha-Lichtemission. Gebhadt war Co-Autor einer Studie, die von Chenxu Liu, Postdoktorand für Astronomie an der UT Austin, durchgeführt und im November 2022 in The Astrophysical Journal veröffentlicht wurde. Es liefert faszinierende Beweise für ein Schwarzes Loch ohne eine umgebende Wirtsgalaxie.
„Das nenne ich ‚nackte Schwarze Löcher‘“, sagte Gebhardt. „Noch nichts bestätigt, aber wir vermuten, dass diese da draußen sein könnten. Nur eine Umfrage wie HETDEX wird in der Lage sein, diese zu finden.“
Die von HETDEX generierte Wissenschaft trägt zum Gesamtbild des Verständnisses der Expansion des gesamten Universums bei, das unerwartet viel schneller wächst als erwartet, basierend auf präzisen Beobachtungen des Hubble-Weltraumteleskops im Jahr 2019 von Supernovae, die wie ein kosmischer Maßstab wirken.
Der Heilige Gral für HETDEX ist ein genaues Maß für die Expansionsrate des Universums vor 10 Milliarden Jahren, das das physikalische Modell für dunkle Energie enthüllen wird.
Astronomen sind uneins darüber, wie sie das Maß der aktuellen Expansionsrate erklären sollen. Um dies zu verstehen, könnte eine Modifikation der Gravitationstheorie oder eine Änderung der grundlegenden Urknalltheorie erforderlich sein. Es könnte das Werk eines unentdeckten Teilchens sein.
Ein genauer Wert der Expansionsrate im frühen Universum kann mit der heutigen Expansionsrate verglichen werden. Dieser Vergleich kann bestimmen, ob sich das Universum für immer ausdehnt oder eines Tages in vielen Milliarden Jahren in sich zusammenfällt.
„Der ganze Sinn des HETDEX-Projekts besteht darin, die Expansion des Universums zu messen“, sagte Gebhardt.
„Dieser neue Katalog fügt wertvolle Daten zur endgültigen Beantwortung der ‚Million Galaxy‘-Frage hinzu, an der die HETDEX-Kollaboration im kommenden Jahr sehr hart arbeitet. Aber hier gibt es ein größeres Bild, und das geben wir der Community zurück, nicht nur an die Wissenschaftler auf der ganzen Welt, sondern an die allgemeine Gemeinschaft Wir wären nicht in der Lage, diese Arbeit ohne die Supercomputing-Ressourcen und Experten von TACC zu leisten, da sie uns die Rechenleistung zur Verfügung stellen, um viele Analysen der Daten durchzuführen und die Daten weiter zu verbessern Verfahren.“