Este artículo fue publicado originalmente en La conversación. La publicación contribuyó con el artículo a Space.com Voces de expertos: Op-Ed e Insights.
Los astrónomos profesionales no hacen descubrimientos mirando a través de un ocular como tú con un telescopio de patio trasero. En cambio, recopilan imágenes digitales en cámaras masivas unidas a grandes telescopios.
Así como podría tener una biblioteca interminable de fotos digitales almacenadas en su teléfono celular, muchos astrónomos recopilan más fotos de las que tendrían tiempo para mirar. En cambio, astrónomos como yo Mire algunas de las imágenes, luego cree algoritmos y luego use computadoras para combinar y analizar el resto.
Pero, ¿cómo podemos saber que los algoritmos que escribimos funcionarán, cuando ni siquiera tenemos tiempo para mirar todas las imágenes? Podemos practicar en algunas de las imágenes, pero una nueva forma de construir los mejores algoritmos es simular algunas imágenes falsas con la mayor precisión posible.
Con imágenes falsas, podemos personalizar las propiedades exactas de los objetos en la imagen. De esa manera, podemos ver si los algoritmos que estamos entrenando pueden descubrir esas propiedades correctamente.
Mi grupo de investigación y colaboradores han descubierto que la mejor manera de crear imágenes astronómicas falsas pero realistas es simular minuciosamente la luz y su interacción con todo lo que encuentra. La luz está compuesta de partículas llamadas fotonesy podemos simular cada fotón. Escribimos un código disponible públicamente para hacer esto llamado el simulador de fotones o fosim.
El objetivo del proyecto Phosim es crear imágenes falsas realistas que nos ayuden a comprender de dónde provienen las distorsiones en las imágenes de telescopios reales. Las imágenes falsas nos ayudan a entrenar programas que clasifican imágenes de telescopios reales. Y los resultados de los estudios que usan Phosim también pueden ayudar a los astrónomos a corregir distorsiones y defectos en sus imágenes de telescopio reales.
El diluvio de datos
Pero primero, ¿por qué hay tantos datos de astronomía en primer lugar? Esto se debe principalmente al aumento de los telescopios de encuestas dedicadas. Un telescopio encuestado mapea una región en el cielo en lugar de simplemente apuntar a objetos específicos.
Todos estos observatorios tienen una gran área de recolección, un gran campo de visión y un modo de encuesta dedicado para recolectar tanta luz durante un período de tiempo posible. Las principales encuestas de las últimas dos décadas incluyen el SDSSS, Kepler, Blanco-Decam, Subaru HSC, Tess, Ztf y Euclides.
El Observatorio de Vera Rubin En Chile ha terminado recientemente la construcción y pronto se unirá a ellos. Su encuesta comienza poco después de su oficial “primer vistazo “el 23 de junio de 2025. Tendrá un conjunto particularmente fuerte de capacidades de encuestas.
El Observatorio de Rubin puede mirar una región del cielo a la vez que es varias veces más grande que la luna llena, y puede examinar todo el hemisferio celestial del sur cada pocas noches.
Una encuesta puede arrojar luz sobre prácticamente todos los temas de astronomía.
Algunas de las ambiciosas preguntas de investigación incluyen: realizar medidas sobre materia oscura y energía oscuramapeo del vía LácteaDistribución de estrellas, Encontrar asteroides en el sistema solar, construyendo un mapa tridimensional de galaxias en el universo, encontrando nuevos planetas fuera del sistema solar y rastrear millones de objetos que cambian con el tiempo, incluyendo supernovas.
Todas estas encuestas crean un diluvio de datos masivo. Generan decenas de terabytes todas las noches, eso es millones de miles de millones de píxeles recolectados en segundos. En el Caso extremo del Observatorio Rubinsi pasaste todo el día mirando imágenes equivalentes al tamaño de una pantalla de televisión 4K durante aproximadamente un segundo cada una, las estarías mirando 25 veces demasiado lentas y nunca seguirías.
A este ritmo, ningún humano individual podría mirar todas las imágenes. Pero los programas automatizados pueden procesar los datos.
Los astrónomos no solo examinan un objeto astronómico como un planeta, galaxia o supernova tampoco. A menudo Medimos El tamaño, la forma, el brillo y la posición del mismo objeto de muchas maneras diferentes en muchas condiciones diferentes.
Pero más medidas vienen con más complicaciones. Por ejemplo, las mediciones tomadas bajo ciertas condiciones climáticas o en una parte de la cámara pueden estar en desacuerdo con otras en diferentes lugares o en diferentes condiciones. Los astrónomos pueden corregir estos errores, llamados sistemáticos, con una calibración o algoritmos cuidadosos, pero solo si entendemos la razón de la inconsistencia entre diferentes mediciones. Ahí es donde entra Phosim. Una vez corregido, podemos usar todas las imágenes y hacer mediciones más detalladas.
Simulaciones: un fotón a la vez
Para comprender el origen de estas sistemáticas, construimos Fosimque puede simular la propagación de partículas de luz, fotones, a través de la atmósfera de la Tierra y luego hacia el telescopio y la cámara.
Phosim simula la atmósfera, incluida la turbulencia del aire, así como las distorsiones de la forma de los espejos del telescopio y las propiedades eléctricas de los sensores. Los fotones se propagan utilizando una variedad de física que predicen lo que hacen los fotones cuando se encuentran con el aire y los espejos y lentes del telescopio.
La simulación termina recolectando electrones que han sido expulsado por fotones en una cuadrícula de píxeles, para hacer una imagen.
Representar la luz como billones de fotones es computacionalmente eficiente y una aplicación del Método de Monte Carloque usa muestreo aleatorio. Los investigadores utilizaron Phosim para verificar algunos aspectos del Observatorio de Rubin Diseñe y estime cómo se verían sus imágenes.
Los resultados son complejos, pero hasta ahora hemos conectado la variación en la temperatura a través de los espejos del telescopio directamente con el astigmatismo, el desenfoque angular) en las imágenes. También hemos estudiado cómo la turbulencia a gran altitud en la atmósfera que puede alterar la luz en su camino al telescopio cambia las posiciones de las estrellas y las galaxias en la imagen y causa patrones borrosos que se correlacionan con el viento. Hemos demostrado cómo los campos eléctricos en los sensores de telescopio, que están destinados a ser verticales, pueden distorsionarse y deformar las imágenes.
Los investigadores pueden usar estos nuevos resultados para corregir sus mediciones y aprovechar mejor todos los datos que recopilan los telescopios.
Tradicionalmente, los análisis astronómicos no se han preocupado por este nivel de detalle, pero las mediciones meticulosas con las encuestas actuales y futuras tendrán que hacerlo. Los astrónomos pueden aprovechar al máximo este diluvio de datos mediante el uso de simulaciones para lograr un nivel más profundo de comprensión.
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