美国宇航局的罗马任务通过超级计算机获得宇宙“预览”

研究人员正在深入研究一个人造宇宙，以帮助我们更好地了解真实的宇宙。利用美国能源部位于伊利诺伊州的阿贡国家实验室的超级计算机，科学家们已经创建了近 400 万张模拟图像，描绘了美国宇航局的南希·格雷斯·罗曼太空望远镜和由美国国家科学基金会和美国能源部共同资助的智利维拉·C·鲁宾天文台将看到的宇宙。

北卡罗来纳州达勒姆市杜克大学物理学副教授迈克尔·特罗克塞尔 (Michael TROXEL) 领导了这项模拟活动，这是一项名为 OpenUniverse 的更广泛项目的一部分。该团队目前正在发布这些数据的 10 TB 子集，其余 390 TB 将在处理完毕后于今年秋天发布。

“使用阿贡现已退役的 Theta 机器，我们在大约九天内完成了笔记本电脑上需要大约 300 年才能完成的工作，”宇宙学家、阿贡高能物理部门副主任、负责该项目超级计算机时间的 KATRIn Heitmann 说道。“这些结果将影响 Roman 和 Rubin 未来阐明暗物质和暗能量的尝试，同时让其他科学家预览他们能够使用望远镜数据探索哪些类型的事物。”

这幅图重点展示了美国宇航局南希·格雷斯·罗曼太空望远镜在 2027 年 5 月发射时可以看到的景象的新模拟的一部分。背景跨度约为 0.11 平方度（大致相当于满月覆盖天空面积的一半），不到罗曼在一张快照中看到的面积的一半。插图放大到 300 倍小的区域，以罗曼的全分辨率展示了一片明亮的合成星系。拥有如此逼真的模拟有助于科学家研究宇宙图像背后的物理原理——包括像这样的合成图像和未来的真实图像。研究人员将利用这些观测结果进行多种科学研究，包括测试我们对宇宙起源、演化和最终命运的理解。

C. Hirata 和 K. Cao（俄亥俄州立大学）以及美国宇航局戈达德太空飞行中心

宇宙彩排

这次模拟首次将望远镜的仪器性能考虑在内，使其成为罗曼和鲁宾开始观测后看到的宇宙迄今为止最准确的预览。鲁宾将于 2025 年开始运行，NASA 的罗曼将于 2027 年 5 月发射升空。

模拟的精度非常重要，因为科学家将仔细检查天文台的未来数据，寻找有助于他们解开宇宙学最大谜团的微小特征。

罗曼和鲁宾都将探索暗能量——一种被认为加速宇宙膨胀的神秘力量。由于它在控制宇宙方面发挥着重要作用，科学家们渴望了解更多有关它的信息。像 OpenUniverse 这样的模拟可以帮助他们了解每台仪器在图像上留下的痕迹，并解决数据处理方法，以便他们能够正确解读未来的数据。这样，科学家们就能够从微弱的信号中做出重大发现。

“OpenUniverse 让我们能够校准对这些望远镜的发现的期望，”加州门洛帕克美国能源部 SLAC 国家加速器实验室的研究员 Jim Chiang 说道，他参与了模拟的创建。“它让我们有机会练习我们的处理流程，更好地理解我们的分析代码，并准确地解释结果，这样我们就可以准备在真实数据开始输入后立即使用。”

然后，他们将继续使用模拟来探索可以重现天文台所看到的宇宙景象的物理和仪器效应。

这张照片展示了阿贡领导计算设施现已退役的 Theta 超级计算机。科学家使用超级计算机来模拟他们无法在现实生活中进行的实验，例如从头开始创建新的宇宙。

需要来自多个组织的庞大而优秀的团队来进行如此大规模的模拟。

“世界上很少有人有足够的技能来运行这些模拟，”美国宇航局南加州喷气推进实验室 (JPL) 的研究科学家兼 OpenUniverse 首席研究员 Alina Kiessling 说道。“这项艰巨的任务只有在美国能源部、阿贡国家实验室、SLAC 和美国宇航局的合作下才得以实现，他们汇集了所有合适的资源和专家。”

一旦罗曼和鲁宾开始观察宇宙，该项目将进一步推进。

“我们将利用这些观测结果让我们的模拟更加准确，”基斯林说。“这将使我们更深入地了解宇宙随时间的演变，并帮助我们更好地理解最终塑造宇宙的宇宙学。”

罗曼和鲁宾的模拟覆盖了同一片天空，总计约 0.08 平方度（大致相当于满月覆盖天空面积的三分之一）。今年晚些时候将发布的完整模拟将覆盖 70 平方度，大约相当于 350 个满月覆盖的天空面积。

将它们重叠起来可以让科学家学会如何利用每台望远镜的最佳优势——鲁宾望远镜视野更广阔，罗曼望远镜视野更清晰、更深邃。两者结合将产生比研究人员单独使用任何一台天文台所能获得的更好的约束。

“像我们所做的那样，将模拟结果连接起来，让我们可以进行比较，看看罗曼的太空调查将如何帮助改善鲁宾的地面调查数据，”海特曼说。“我们可以探索找出鲁宾图像中混合在一起的多个物体的方法，并将这些修正应用于更广泛的覆盖范围。”

这对图像展示了维拉·C·鲁宾天文台（左，由空间与时间暗能量科学合作遗产调查处理）和美国宇航局的南希·格雷斯·罗曼太空望远镜（右，由罗曼高纬度成像调查项目基础设施团队处理）模拟的同一片天空区域。罗曼将从太空中捕捉更深更清晰的图像，而鲁宾将从地面观察更广阔的天空区域。由于必须透过地球大气层，鲁宾的图像并不总是足够清晰，无法将多个相近的光源区分为独立的物体。它们看起来会模糊在一起，这限制了研究人员利用这些图像进行的科学研究。但通过比较鲁宾和罗曼对同一片天空的图像，科学家可以探索如何“分离”物体，并在鲁宾更广泛的观测中实施调整。

科学家可以考虑修改每台望远镜的观测计划或数据处理流程，以实现两者的结合使用。

“我们在简化这些流程和使它们可用方面取得了巨大进步，”Kiessling 说道。与加州理工学院/IPAC 的 IRSA（红外科学档案）的合作使模拟数据现在可供访问，因此当研究人员将来访问真实数据时，他们已经习惯了这些工具。“现在我们希望人们开始使用模拟来了解我们可以做出哪些改进，并准备尽可能有效地使用未来的数据。”

OpenUniverse 以及 Roman 的科学运营和科学支持中心正在开发的其他模拟工具将帮助科学家为 Roman 的大量数据集做好准备。该项目汇集了来自 NASA 喷气推进实验室、美国能源部阿贡实验室、IPAC 和几所美国大学的数十名专家，与 Roman 项目基础设施团队、SLAC 和 Rubin LSST DESC（空间和时间暗能量科学合作遗留调查）进行协调。Theta 超级计算机由美国能源部科学办公室用户设施阿贡领导计算设施运营。

南希·格雷斯·罗曼太空望远镜由位于马里兰州格林贝尔特的 NASA 戈达德太空飞行中心管理，NASA 喷气推进实验室和南加州的加州理工学院/IPAC、巴尔的摩的太空望远镜科学研究所以及由来自各个研究机构的科学家组成的科学团队参与其中。主要的工业合作伙伴是位于科罗拉多州博尔德的 BAE SYSTEMS, Inc.、位于纽约州罗切斯特的 L3Harris Technologies 和位于加利福尼亚州千橡市的 Teledyne Scientific & Imaging。

维拉·C·鲁宾天文台是一个联邦项目，由美国国家科学基金会和美国能源部科学办公室联合资助，早期建设资金来自通过 LSST 发现联盟进行的私人捐款。