Rozpoczyna się nowa era astronomii i astrofizyki – Obserwatorium im. Very C. Rubin uruchamia projekt LSST, czyli najbardziej szczegółowy filmowy zapis Wszechświata. W inicjatywie tej bierze udział polskie konsorcjum złożone z ośmiu instytucji, któremu przewodzi Narodowe Centrum Badań Jądrowych.

Po latach przygotowań prowadzonych przez tysiące naukowców z całego świata rozpoczynają się rewolucyjne badania południowego nieba. W ciągu najbliższej dekady obserwatorium w Chile będzie rejestrować ultrawysokiej rozdzielczości “film poklatkowy” przedstawiający nasz Wszechświat widoczny z południowej półkuli ziemskiej. Projekt finansowany przez Narodową Fundację Naukową Stanów Zjednoczonych (NSF) oraz Departament Energii Stanów Zjednoczonych (DOE) na nowo zdefiniuje współczesną kosmologię i astrofizykę. Działalność naukowa obserwatorium opiera się na ogromnym wysiłku zespołu odpowiedzialnego za instrumenty oraz współpracy między Chile a Stanami Zjednoczonymi, a także na wkładzie międzynarodowej grupy astrofizyków (w tym naukowców z Polski), którzy brali udział w opracowaniu programu obserwacyjnego i będą analizować dane zebrane w ciągu najbliższych dziesięciu lat.

„To niesamowite i dające do myślenia doświadczenie – znaleźć się tu i teraz, w momencie, gdy rozpoczynamy projekt Legacy Survey of Space and Time, po ponad dwóch dekadach wytężonej pracy naszego oddanego zespołu” – mówi Robert Blum, dyrektor Obserwatorium Very C. Rubin w NSF NOIRLab.

„Decyzja o oficjalnym uruchomieniu LSST została podjęta po okresie optymalizacji systemu oraz dokładnej analizie operacyjnej gotowości technicznej, wydajności systemu danych i walidacji naukowej” – mówi Željko Ivezić, dyrektor LSST. Analizy obejmowały jakość obrazu, szybkość obserwacji, dostępność i niezawodność systemu oraz precyzję kalibracji.

Teleskop w Obserwatorium Very Rubin ma ogromną zdolność zbierania światła dzięki zwierciadłu o średnicy 8,4 m, a jednocześnie możliwość szybkiego skanowania nieba oraz szerokie pole widzenia. Dzięki kamerze o rozdzielczości 3200 megapikseli – największej cyfrowej kamerze na świecie – obecnie co około 40 sekund rejestrowany jest nowy, szczegółowy obraz. Działając z taką prędkością i czułością, obserwatorium każdej nocy jest w stanie wykrywać słabo widoczne obiekty i zjawiska przejściowe z niezwykłą niezawodnością i skutecznością.

„Potrzeba było 20 lat intensywnych badań naukowych, prac inżynieryjnych i nie tylko, aby dotrzeć do punktu, w którym możemy powiedzieć ‘akcja’ i rozpocząć kręcenie tej wielkiej filmowej opowieści o Wszechświecie” – mówi Phil Marshall, zastępca dyrektora ds. operacyjnych Rubin w SLAC. „Miliony detekcji tylko w ciągu ostatnich kilku miesięcy pokazują, że Rubin już działa jako maszyna do odkryć. Teraz łączymy to wszystko w jedną całość”.

Projekt ożywia Wszechświat, rzucając światło na wiele zjawisk: pulsujące gwiazdy, wybuchy supernowych, historię galaktyk, tajemnice ciemnej energii i ciemnej materii oraz zupełnie nowe obiekty, których nigdy wcześniej nie obserwowaliśmy. Niektóre procesy kosmiczne przebiegają powoli, w nieprzewidywalny sposób lub niezwykle rzadko, dlatego kluczowe znaczenie ma dziesięcioletni program obserwacji. Powrót do każdego punktu na niebie około 800 razy w ciągu dekady, dostarczy społeczności naukowej obserwacji niezbędnych do odkrywania subtelnych zmian, uchwycenia poruszających się obiektów oraz badania przyspieszającego rozszerzania się Wszechświata.

Obserwatorium nie tylko pomaga odkrywać tajemnice odległego Wszechświata, ale jest również najpotężniejszym narzędziem do badania Układu Słonecznego, jakie kiedykolwiek zbudowano. Wykonując około tysiąca zdjęć każdej nocy, Rubin stworzy niezwykle szczegółowy przegląd Układu Słonecznego, obejmujący miliony asteroid i komet. W ciągu zaledwie półtora miesiąca, podczas wczesnych obserwacji optymalizacyjnych, odkryto ponad 11 000 nieznanych dotąd asteroid, w tym 33 obiekty bliskie Ziemi i 380 obiektów transneptunowych.

Projekt przyczyni się też do rozwoju astronomii wielokanałowej, czyli badania zjawisk kosmicznych z wykorzystaniem wielu sygnałów, takich jak światło, fale grawitacyjne i promieniowanie kosmiczne. Szybkie i obejmujące informacje o kolorze obserwacje zdarzeń takich jak wybuchy gwiazd oraz zderzenia obiektów zwartych pozwolą innym teleskopom na dalsze badanie tych ulotnych zjawisk.

Każdej nocy Obserwatorium Very Rubin gromadzi około dziesięciu terabajtów danych i generuje aż siedem milionów powiadomień o zmianach na nocnym niebie. Powiadomienia te są przekazywane do systemów pośredniczących – zautomatyzowanych narzędzi, które sortują i klasyfikują te zmiany, umożliwiając naukowcom szybkie podjęcie działań.

Polska od ponad dekady zaangażowana jest w projekt LSST, który został również uwzględniony na Polskiej Mapie Drogowej Infrastruktur Badawczych. Narodowe Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) kieruje polskim konsorcjum LSST, w którego skład wchodzi obecnie osiem  instytucji; oprócz NCBJ są to: Centrum Fizyki Teoretycznej Polskiej Akademii Nauk (CFT PAN), Centrum Astronomiczne im. Mikołaja Kopernika Polskiej Akademii Nauk (CAMK PAN), Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu (UAM), Uniwersytet Jagielloński (UJ), Uniwersytet Mikołaja Kopernika (UMK), Uniwersytet Warszawski (UW) oraz Uniwersytet Wrocławski (UWr). Koordynatorem polskiego konsorcjum jest prof. Agnieszka Pollo z NCBJ.

Wkład rzeczowy polskiego konsorcjum w projekt LSST obejmuje Niezależne Centrum Dostępu Danych (Independent Data Access Center, IDAC), które jest obecnie tworzone w Polsce, oraz oprogramowanie służące do analizy danych. „Biorąc pod uwagę ogromną ilość danych z LSST, ich analiza będzie wyzwaniem, z jakim astronomowie nie mieli dotąd do czynienia. Są to prawdziwie astronomicznie wielkie zbiory danych, które będą wymagały nowoczesnych, zautomatyzowanych metod analizy, w tym opartych na uczeniu maszynowym i sztucznej inteligencji. Budowa IDAC w Polsce pomoże nam szkolić przyszłych specjalistów – z których część pozostanie w środowisku akademickim, a inni znajdą pracę w firmach” – mówi dr Krzysztof Nawrocki z NCBJ, który kieruje pracami nad stworzeniem centrum danych.

„W skład polskiego konsorcjum wchodzi ponad 70 uczonych – specjalistów z zakresu planetologii, astronomii, astrofizyki, kosmologii, informatyki, analizy danych oraz inżynierii.. To rewolucyjne przedsięwzięcie wymaga współpracy międzydyscyplinarnej oraz opracowania nowych metod analizy, które poradzą sobie z ogromną ilością danych naukowych generowanych każdej nocy. Zarówno czas trwania, jak i precyzja obserwacji LSST pozwolą nam rejestrować niezwykle rzadkie zjawiska, co doprowadzi do licznych odkryć, w tym takich, których obecnie nie da się przewidzieć” – mówi prof. Agnieszka Pollo, przewodnicząca polskiego konsorcjum LSST.

Zainteresowania badawcze członków polskiego konsorcjum obejmują wszystkie obszary astronomii: od małych ciał Układu Słonecznego, poprzez właściwości gwiazd i Drogi Mlecznej, aż po badania odległych galaktyk, kwazarów oraz wielkoskalowej struktury Wszechświata.

Oprogramowanie przygotowane w ramach wkładu rzeczowego pomoże m.in. określać własności galaktyk, prześledzić odchylenia od obecnie przyjętego standardowego modelu Wszechświata, dokładniej przeanalizować właściwości ciemnej energii lub określić stałą Hubble’a na podstawie śledzenia echa świetlnego w kwazarach.

Bezprecedensowa dokładność danych LSST na południowym niebie pozwoli naukowcom z niemal wszystkich obszarów astronomii i astrofizyki na nowe spojrzenie na Wszechświat. Uczonych z NCBJ interesuje m.in. ewolucja galaktyk w wielkoskalowej strukturze Wszechświata. Obserwacje pozwolą uchwycić słabo widoczne obiekty, takie jak galaktyki o niskiej jasności powierzchniowej, które mogą stanowić nawet połowę wszystkich  galaktyk we Wszechświecie. Umożliwią również odkrycie wielu dotąd nieznanych obiektów Układu Słonecznego, wybuchów supernowych, a także słabo widocznych zjawisk przejściowych, np. kilonowych, powstających w wyniku zderzeń gwiazd neutronowych.

Prof. Katarzyna Małek, kierowniczka Zakładu Astrofizyki w NCBJ i liderka jednego z projektów wkładu rzeczowego LSST, podkreśliła, że przegląd umożliwi przeprowadzenie nowych badań statystycznych najsłabszych i najbardziej rozproszonych galaktyk we Wszechświecie. „Będziemy mierzyć właściwości galaktyk ultrarozproszonych, które dotychczas pozostawały niewidoczne dla instrumentów astrofizycznych. Naszem multidyscyplinarny zespół prześledzi ich ścieżki ewolucyjne zarówno w gęstych środowiskach gromad galaktyk, jak i w rozległych pustkach kosmicznej sieci”.

LSST dostarczy petabajty danych dotyczących zarówno znanych, jak i nowo odkrytych obiektów astrofizycznych. W skład zespołu naukowego NCBJ wchodzą eksperci zajmujący się obiektami Układu Słonecznego, powstawaniem gwiazd w naszej galaktyce, środowiskiem międzygwiazdowym, aktywnymi jądrami galaktyk, zjawiskami przejściowymi, galaktykami o niskiej jasności powierzchniowej, zderzeniami galaktyk, siecią kosmiczną oraz kosmologią. Ten szeroki zakres kompetencji pozwoli w pełni wykorzystać wyjątkowy zestaw danych LSST. W zespole mamy wielu młodych naukowców z całego świata, w tym także doktorantów. Dla nich będzie to wyjątkowa okazja do zdobycia doświadczenia w ramach międzynarodowej współpracy oraz zgłębiania tajemnic Wszechświata w sposób, który dotychczas nie był możliwy.

„Nowa, niespotykana dotąd skala i jakość danych zebranych przez LSST pozwoli nam odkryć pochodzenie wielu galaktyk, zrozumieć ich ewolucję oraz oddziaływania z kosmicznym otoczeniem. Pomoże lepiej zrozumieć historię Wszechświata, a może nawet  wyjaśnić naturę ciemnej materii i ciemnej energii” – komentuje dr Anna Durkalec z Zakładu Astrofizyki w NCBJ.

Dzięki ogromnej ilości danych z LSST polscy naukowcy będą mogli odkrywać słabo dotąd poznane procesy astronomiczne. „Połączenia galaktyk to rzadkie zjawiska we Wszechświecie” – zauważa dr William Pearson, naukowiec z NCBJ. „Dzięki rozległemu obszarowi nieba objętego obserwacjami LSST i niesamowitej czułości teleskopu Obserwatorium Very Rubin odkryjemy tysiące razy więcej zderzających się galaktyk niż kiedykolwiek dotąd”. Astronomowie mają nadzieję, że rola połączeń galaktyk w historii Wszechświata stanie się dzięki temu „jasna jak niebo nad Obserwatorium Very Rubin”.

„Obserwatorium będzie prawdziwą maszyną do wykrywania śladów odległych eksplozji we Wszechświecie” – mówi dr Nandini Hazra, badaczka z NCBJ. „W ciągu zaledwie kilku lat odkryjemy więcej supernowych niż kiedykolwiek wcześniej w całej historii. Co więcej, Obserwatorium Very Rubin będzie w stanie dostrzec trudne do wykrycia, słabe zjawiska przejściowe - kilonowe, co pozwoli nam zbadać ich związek z sygnałami fal grawitacyjnych pochodzącymi ze zderzeń obiektów zwartych, takich jak gwiazdy neutronowe. To, co wcześniej było zaledwie przebłyskiem światła, teraz otwiera drzwi do astronomii wielokanałowej.”
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Przyszłe dane z projektu LSST otworzą przed naukowcami i społeczeństwem bramę do kolejnych odkryć. Będzie to nowy sposób poznawania Wszechświata i ujawniania jego tajemnic.

Aby śledzić stan projektu LSST w czasie rzeczywistym, zapraszamy na stronę rubinobservatory.org.

Badania naukowe wykorzystujące dane z LSST są m.in. finansowane przez projekty Narodowego Centrum Nauki:
   • Ledwie widoczne: galaktyki o niskiej jasności powierzchniowej w epoce LSST (MAESTRO 2023/50/A/ST9/00579), kierowniczka projektu: prof. Agnieszka Pollo
   • DUSTiny: wpływ pyłu na własności galaktyk w przeglądach nowej generacji (OPUS 2024 2024/53/B/ST9/00230), kierowniczka projektu: prof. Katarzyna Małek