Ten artykuł został pierwotnie opublikowany pod adresem Rozmowa. Publikacja przyczyniła się do artykułu do Space.com Głosy ekspertów: Op-Ed & Insights.
Profesjonalni astronomowie nie dokonują odkryć, patrząc przez okular, jak możesz z Teleskop na podwórku. Zamiast tego zbierają obrazy cyfrowe w Ogromne kamery przymocowane do dużych teleskopów.
Podobnie jak możesz mieć niekończącą się bibliotekę cyfrowych zdjęć przechowywanych w telefonie komórkowym, wielu astronomów zbiera więcej zdjęć, niż kiedykolwiek miałyby czas patrzeć. Zamiast, astronomowie tacy jak ja Spójrz na niektóre obrazy, a następnie zbuduj algorytmy, a następnie użyj komputerów do połączenia i analizy reszty.
Ale skąd możemy wiedzieć, że algorytmy, które piszemy, będą działać, kiedy nawet nie będziemy mieć czasu na obejrzenie wszystkich obrazów? Możemy ćwiczyć na niektórych obrazach, ale jednym nowym sposobem budowania najlepszych algorytmów jest tak dokładnie symulacja niektórych fałszywych obrazów.
Dzięki fałszywym obrazom możemy dostosować dokładne właściwości obiektów na obrazie. W ten sposób możemy zobaczyć, czy szkolenie algorytmów mogą poprawnie odkryć te właściwości.
Moja grupa badawcza i współpracownicy odkryli, że najlepszym sposobem na tworzenie fałszywych, ale realistycznych astronomicznych obrazów jest staranne symulacja światła i jego interakcja ze wszystkim, co napotyka. Światło składa się z cząsteczki zwane fotonamii możemy symulować każdy foton. Napisaliśmy publicznie dostępny kod, aby to zrobić symulator fotonów lub fosim.
Celem projektu Phosim jest tworzenie realistycznych fałszywych obrazów, które pomagają nam zrozumieć, skąd pochodzą zniekształcenia obrazów z prawdziwych teleskopów. Fałszywe obrazy pomagają nam trenować programy, które sortują obrazy z prawdziwych teleskopów. A wyniki badań z wykorzystaniem Phosima mogą również pomóc astronomom skorygować zniekształcenia i wady w ich obrazach teleskopu.
Potop danych
Ale po pierwsze, dlaczego jest tak wiele danych astronomii? Wynika to przede wszystkim ze wzrostu dedykowanych teleskopów ankietowych. Teleskop ankietowy mapuje region na niebie, a nie tylko wskazanie na określone obiekty.
Wszystkie te obserwatoria mają duży obszar kolekcjonerski, duży pole widzenia i dedykowany tryb ankietowy do zbierania jak największej ilości światła w okresie czasu. Główne ankiety z ostatnich dwóch dekad obejmują SDSSW KeplerW White-DecamW Subaru HSCW TessW ZTF I Euclid.
. Obserwatorium Vera Rubin W Chile niedawno zakończył budowę i wkrótce dołączy do nich. Jego ankieta rozpoczyna się wkrótce po jego urzędniku „Wydarzenie First Look ”23 czerwca 2025. Będzie miał szczególnie silny zestaw możliwości ankietowych.
Obserwatorium Rubina może jednocześnie patrzeć na region nieba, który jest kilka razy większy niż księżyc w pełni, i może badać całą południową półkulę niebiańską co kilka nocy.
Ankieta może rzucić światło na praktycznie każdy temat w astronomii.
Niektóre z ambitnych pytań badawczych obejmują: dokonywanie pomiarów ciemna materia I ciemna energiamapowanie Droga MlecznaRozkład gwiazd, znalezienie asteroid W układzie słonecznym budowanie trójwymiarowej mapy galaktyk we wszechświecie, znajdowanie nowego planety poza Układem Słonecznym i śledzenie milionów obiektów, które zmieniają się w czasie, w tym supernowe.
Wszystkie te ankiety tworzą ogromny potop danych. Generują dziesiątki terabajtów każdej nocy – to miliony do miliardów pikseli zebranych w kilka sekund. W ekstremalny przypadek obserwatorium RubinaJeśli spędziłeś cały dzień, patrząc na obrazy równoważne rozmiarowi ekranu telewizyjnego 4K przez około sekundę, patrzyłbyś na nie 25 razy za wolno i nigdy nie nadążałbyś.
W tym tempie żaden człowiek nie mógł spojrzeć na wszystkie obrazy. Ale zautomatyzowane programy mogą przetwarzać dane.
Astronomowie nie tylko ankieta nie tylko astronomiczny obiekt, taki jak planeta, galaktyka lub supernowa raz. Często mierzymy Rozmiar, kształt, jasność i pozycja tego samego obiektu na wiele różnych sposobów w wielu różnych warunkach.
Ale więcej pomiarów wiąże się z większymi komplikacjami. Na przykład pomiary wykonane w określonych warunkach pogodowych lub w jednej części aparatu mogą nie zgodzić się z innymi w różnych lokalizacjach lub w różnych warunkach. Astronomowie mogą poprawić te błędy – zwane systematyką – staranną kalibracją lub algorytmami, ale tylko wtedy, gdy zrozumiemy przyczynę niespójności między różnymi pomiarami. W tym miejscu pojawia się Phosim. Po poprawieniu możemy użyć wszystkich obrazów i wykonać bardziej szczegółowe pomiary.
Symulacje: jeden foton na raz
Aby zrozumieć pochodzenie tych systematyki, zbudowaliśmy Phosimktóre mogą symulować propagację cząstek światła – fotonów – przez atmosferę Ziemi, a następnie do teleskopu i aparatu.
Phosim symuluje atmosferę, w tym turbulencje powietrza, a także zniekształcenia z kształtu luster teleskopu i właściwości elektrycznych czujników. Fotony są propagowane przy użyciu różnych fizyki, które przewidują, co robią fotony, gdy napotykają powietrze i lustra i soczewki teleskopu.
Symulacja kończy się na zbieraniu elektronów, które były wyrzucone przez fotony w siatkę pikseli, aby zrobić obraz.
Reprezentowanie światła jako trylionów fotonów jest wydajne obliczeniowo, a zastosowanie Metoda Monte Carloktóry wykorzystuje losowe pobieranie próbek. Naukowcy używali Phosima do weryfikacji niektórych aspektów Obserwatorium Rubina Zaprojektuj i oszacuj, jak wyglądałyby jego obrazy.
Wyniki są złożone, ale jak dotąd połączyliśmy zmienność temperatury między lustrami teleskopowymi bezpośrednio z astygmatyzmem – rozmyciem kątowym – na zdjęciach. Zbadaliśmy również, w jaki sposób turbulencje na dużej wysokości w atmosferze, które mogą zakłócać światło w drodze do teleskopu, przesuwa pozycje gwiazd i galaktyk na obrazie i powoduje rozmycie wzorów korelujących z wiatrem. Wykazaliśmy, w jaki sposób pola elektryczne w czujnikach teleskopowych – które mają być pionowe – mogą zostać zniekształcone i wypaczać obrazy.
Naukowcy mogą wykorzystać te nowe wyniki, aby skorygować swoje pomiary i lepiej skorzystać ze wszystkich danych, które zbierają teleskopy.
Tradycyjnie analizy astronomiczne nie martwiły się tym poziomem szczegółowości, ale skrupulatne pomiary z obecnymi i przyszłymi badaniami będą musiały. Astronomowie mogą jak najlepiej wykorzystać ten potop danych, wykorzystując symulacje w celu osiągnięcia głębszego poziomu zrozumienia.
Ten artykuł jest opublikowany z Rozmowa na licencji Creative Commons. Przeczytaj Oryginalny artykuł.
