A project of the Dark Energy Survey collaboration

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Nosso emaranhado escuro: pistas da energia escura

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Oculto sob um mar de luz, um padrão complexo sussurra e muda lentamente. Este é composto de forças cósmicas praticamente invisíveis. Nesse espaço que separa amontoados de galáxias jaz um espaço vazio e árido. Contudo, enquanto cada galáxia, com seus bilhões de estrelas, tem uma história única de nascimento e evolução, devemos tomar cuidado para não deixar de ver a floresta por conta das árvores. Tomado como um todo, o padrão de aglomerados e vazios em nossos mapas de galáxias podem nos dizer muito sobre as forças escuras que dão forma a nosso universo.

Sloan Digital Sky Survey: Galaxy Map

Levantamento Digital do Céu Sloan (Sloan Digital Sky Survey): Mapa de Galáxias Mapa de galáxias pelo SDSS que alcança até 2 bilhões de anos-luz. Pontos vermelhos e verdes indicam a posição de galáxias, onde pontos vermelhos indicam uma maior densidade de galáxias. Áreas totalmente pretas são partes do céu que são inacessíveis ao levantamento. (Veja também o vôo através do SDSS.)

Olhando a imagem da Camera da Energia Escura (Dark Energy Camera, acima), podemos ver um monte de objetos celestes, incluindo manchas de diferentes cores: azul, vermelho, e amarelo, muitas das quais são galáxias distantes. Pode parecer que elas estão distribuídas aleatoriamente no cosmo. Entretanto, astrônomos mapeando a posição de galáxias espalhadas ao longo de grandes distâncias verificaram que elas estão organizadas em estruturas, em padrões cósmicos que atravessam trechos do tempo e espaço muito maior do que o visto nessa imagem. A figura à direita, do Sloan Digital Sky Survey, mostra um mapa com milhões de galáxias. Essas galáxias parecem se aglomerar em nós e filamentos (áreas com muitas galáxias), deixando para trás espaços vazios (regiões com menos galáxias ou nenhuma galáxia). Algumas das estruturas filamentares se estendem por bilhões de anos-luz – 60 trilhões de vezes a distância entre a Terra e o Sol.

Como qualquer bom detetive, não podemos ignorar um padrão. Como galáxias, separadas por bilhões de anos-luz, se distribuem nessa grande estrutura cósmica que vemos hoje? Parece que o “chefe” dessa operação cósmica é um conhecido amigo (e inimigo) dos terráqueos: a força da gravidade.

Usando simulações feitas em computadores, astrônomos são capazes de investigar como a gravidade atua em tantas galáxias separadas por distâncias tão grandes. A Simulação Millenium, e outras como ela, mostram que uma distribuição inicial quase aleatória de matéria vai naturalmente se concentrar em filamentos e vazios através da atuação da força da gravidade. Quando comparamos estatisticamente os resultados das simulações com nossos dados (observações de muitas galáxias), os padrão encontrados são os mesmos: a influência da gravidade universo afora produziu essa grande estrutura filamentar, a qual é chamada, “A Teia Cósmica”.

Millennium simulation: https://i2.wp.com/www.mpa-garching.mpg.de/galform/virgo/millennium/seqB_063a_half.jpg
Simulação Millenium: áreas mais brilhantes representam maiores concentrações de matéria e galáxias. (Voe através dessa simulação nesse vídeo)

Mas qual é a importância disso para detetives trabalhando no Dark Energy Survey? Bom, ao que tudo indica, a força da gravidade tem um arqui-inimigo em seu objetivo de criar uma grande teia que atravessa todo o universo: a energia escura, uma força invisível que causa a expansão acelerada do espaço por todo o universo. Quanto mais rápido o espaço se expande e acelera, maior as distâncias que galáxias tem que viajar para formar filamentos e aglomerados. Se existe mais energia escura, a gravidade precisa de mais tempo para juntar galáxias, e a estrutura em forma de teia leva mais tempo para se formar. Se não existe energia escura, a teia é feita rapidamente. Ao estudar a velocidade com que a teia cósmica é construída ao longo do tempo, podemos revelar o quão forte foi a energia escura e se ela está ficando mais forte ou mais fraca.

A batalha entre gravidade e energia escura, contada através da evolução de estruturas na teia cósmica, é chave para estudar a energia escura. De fato, a teia cósmica é especialmente importante para responder uma pergunta bem específica: será que existe mesmo a energia escura?!?

A maioria dos astrônomos concorda que existe um grande número de evidências da expansão acelerada do universo. Por diversas razões, a fonte mais aceitável dessa aceleração é algum tipo de nova força ou de outra forma, de uma energia oculta, “escura”. Mas a principal teoria alternativa é a mudança das leis da gravidade (especificamente, das leis da Teoria da Relatividade Geral de Einstein). Já que físicos e astrônomos testaram exaustivamente as leis de Einstein na Terra, no Sistema Solar, e em galáxias, essa mudança só se manifestaria em escalas maiores. Isso poderia estar causando a aparente aceleração cósmica, de tal forma que não existiria realmente uma energia escura.

Essa segunda hipótese rescreveria nossos arquivos sobre a teia cósmica. Talvez ao invés de uma luta contra a energia escura, a gravidade não tenha o mesmo efeito previsto quando observada ao longo de bilhões de anos-luz. Medidas dessa teia, em conjunto com outras da aceleração cósmica, são fundamentais para nos dizer se nosso universo é um campo de batalha para a energia escura e a gravidade, ou se a gravidade é simplesmente diferente do que pensávamos anteriormente. Seja qual for a conclusão (e quem sabe até uma mais estranha ainda) ela significa uma profunda revisão de nosso entendimento do funcionamento do universo.

A medida que o Dark Energy Survey coleciona mais e mais belas imagens de centenas de milhões de galáxias ao longo de seus cinco anos de duração, nossos detetives vão analisar cuidadosamente suas posições, traçando a teia cósmica, na esperança de identificar que forças estão trabalhando na escuridão.

 

Detetive Ross Cawthon (Universidade de Chicago)

Imagem: Det.’s Marty Murphy e Reidar Hahn

Tradução: Det. Ricardo Ogando

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神秘而错综复杂的宇宙网络:暗能量寻踪

DES0006-4123_20141218_00_gri_20141219_000.edit1.0_950px星海之下,有一个复杂的网络一直在窸窣缓慢地变动着。这一网络由暗黑,近乎不可感知,却又作用于整个宇宙的势力构建。星系成堆成簇,在团簇之间,又穿插了空旷贫瘠的空间。虽然每一个包含了上亿星星的星系都有自己独特的出生和演化故事,我们可不会因此一叶障目。作为一个整体,星系网络上的团簇和空洞可以帮助我们研究决定了宇宙地貌的暗黑势力。

 

Sloan Digital Sky Survey: Galaxy Map

斯隆数字巡天绘制的一直延伸到到20亿光年处的星系分布图。红色和绿色的点显示的是星系的位置,红色的点表示星系的密度较高。本图中完全为黑色的扇形是斯隆巡天没有观测的区域。 (另见SDSS fly-through.)

暗能量相机拍摄的照片(上图)里有无数天体,其中也包括了一些或蓝或红或黄的模糊斑迹,这些斑迹很多都是极为遥远的星系。这些星系也许看起来像是在宇宙中随机分布的。但是,通过在极大尺度上对它们进行定位,天文学家们发现星系的分布有一定的结构,虽然这些结构延伸的空间和时间要比上图中看到的大的大的多。右边由斯隆数字巡天(Sloan Digital Sky Survey)制作的插图中展示的是几百万个星系的分布图。这些星系有时候聚集成团或延伸成线(有比较多的星系),有时候又规避出一个个的空洞(没有或只有很少的星系)。要知道,这些点线状的结构可以延伸几十亿光年——是地球到太阳距离的60万亿倍!

像所有优秀的侦探员一样,我们暗能量侦探是不会放弃对这种有组织有计划的事情追根溯源的。那么问题来了,这些相距几十光年的星系又是怎样形成我们今天所看到的巨大网络的呢?这一鬼斧神工的操盘手其实是我们熟悉的朋友(也可以说是敌人)—— 在地球上就可以感受得到的万有引力。

 

通过计算机模拟,天文学家们已经研究了引力如何在大距离上运作于星系之间。“千禧模拟”(Millennium Simulation) 和一些类似的模拟项目显示,随机分布的物质在引力的作用下会自然而然地形成团,线,和孔洞状结构。统计比较模拟结果和采集的数据(对许多星系的观测),我们发现两者结构的分布是一样的:引力的确影响了整个可见的宇宙,并促成了这些宏伟壮观的丝网状结构,这一网络又被称作“宇宙网络”(cosmic web)。

 

Millennium simulation: https://i2.wp.com/www.mpa-garching.mpg.de/galform/virgo/millennium/seqB_063a_half.jpg

千禧模拟:较亮的区域物质和星系更为集中。 (另见 fly-through video).

那么问题又来了,这些东西和暗能量巡天项目(Dark Energy Survey)的侦探们有什么关系呢?其实,引力在搭建宇宙网络这件事情上有一个死敌,就是“暗能量”——那股导致宇宙加速膨胀的势力。宇宙加速膨胀的越快,星系们就需要移动更大的距离以形成团线结构。暗能量越多,引力牵引星系需要的时间就越长,宇宙网络的形成就越慢。若是没有暗能量,宇宙网络的形成便会很快。通过研究宇宙网络形成的快慢,我们可以探知暗能量的强弱以及它的强度是否随时间变化。

 

引力和暗能量的对立状况会反映到宇宙网络的演化史上,这是我们可以研究暗能量的关键。事实上,宇宙网络对确定暗能量是否存在也起到至关重要的作用。

 

大多数的天文学家都承认:宇宙加速膨胀的证据无可置疑。出于很多原因,加速的最可行释源是一种新的但不可见的力量,也即“暗”能量。第二可行的理论解释是引力定律有异常(尤其是爱因斯坦广义相对论)。既然物理和天文学家们已经无数次在地球上,太阳系甚至星系之间证实了爱因斯坦的理论,引力定律的异常只能表现在更大的尺度上。这一异常也可以导致宇宙表面上的加速膨胀,暗能量理论也就不需要了。

 

第二个假设如果成立,我们得重写上述关于宇宙网络的文案。也许引力没有暗能量这个敌人,它只是在几十亿光年的尺度上不如我们预料的那样有效。要想知道引力是不是在和暗能量打架,亦或是引力是否有异常,观测宇宙网络的性质并与其他测量宇宙加速膨胀的方法相结合, 是回答这一问题的关键。这一研究的任何结果(甚至可能有稀奇古怪的结果)都意味着我们对宇宙的认识有了重大进步!

 

五年间,暗能量巡天会拍摄几亿星系的美丽图片。我们的暗能量侦探们正在对这些星系谨慎定位,进而描绘我们的宇宙网络,以借此探究运作于整个网络背后的神秘力量。

 

作者:暗能量侦探 罗斯· 克罗森 , 芝加哥大学(Ross Crawthon, University of Chicago)

图片编辑:  暗能量侦探 马蒂· 墨菲 (Marty Murphy), 瑞达· 哈恩 (Hahn)

翻译:暗能量侦探 张Y(Y. Zhang)

翻译编辑:暗能量侦探 李T (T. Li)

 

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Nuestra oscura y enmarañada telaraña: pistas sobre la energía oscura

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Un intrincado y sutil patrón que cambia lentamente, acecha bajo un mar de luz. Se construye a partir de fuerzas cósmicas en la sombra, casi invisibles. Entre agrupaciones y marañas de galaxias yacen inmensos vacíos. Y mientras que cada galaxia, con sus miles de millones de estrellas, tiene una historia y evolución únicas desde su nacimiento, no perdemos de vista el bosque por culpa de los árboles. En su conjunto, el patrón de cúmulos y vacíos en nuestros mapas de galaxias puede informarnos acerca de las fuerzas oscuras que dan forma a nuestro universo.

Sloan Digital Sky Survey: Galaxy Map

Mapeado de las galaxias con el Sloan Digital Sky Survey hasta dos mil millones de años de distancia. Los puntos rojos y verdes indican las posiciones de las galaxias, siendo los rojos los que indican una mayor densidad de galaxias. Los sectores negros en los laterales son regiones del cielo inaccesibles por el proyecto.

Observando la imagen de la Cámara de Energía Oscura (arriba), vemos multitud de objetos celestes, incluyendo varias manchas azules, rojas y amarillas, muchas de las cuales son galaxias distantes. Podría parecernos que estas galaxias están distribuidas aleatoriamente por el cosmos. Sin embargo, los astrónomos que mapean sus posiciones a lo largo de grandes distancias, han averiguado que se hallan organizadas en estructuras de escala cósmica que abarcan inmensas regiones del espacio y el tiempo, mucho más amplias de lo que puede capturar esta imagen. En la figura de la derecha, del proyecto Sloan Digital Sky Survey, muestra este mapa para millones de galaxias. Éstas se acumulan en “grumos” y “filamentos” (zonas con muchas galaxias), dejando grandes vacíos entre ellos (con pocas o ninguna galaxia). Algunas de estas estructuras filamentarias se extienden a lo largo de miles de millones de años-luz, es decir, ¡60 billones de veces la distancia de la Tierra a la Luna!

Como buenos detectives, no podemos ignorar un patrón como éste. ¿Cómo pueden las galaxias, separadas por distancias hasta miles de millones de años-luz, coalescer finalmente en estas grandes estructuras cósmicas que vemos hoy en día? La “mente” detrás de esta operación cósmica es un viejo amigo (y enemigo) nuestro aquín en la Tierra: la fuerza de la gravedad.

Usando simulaciones por ordenador, los astrónomos investigan cómo funciona la gravedad entre tantas galaxias y a distancias tan enormes. La simulación Millenium y otras como ella, muestran que una distribución aleatoria de materia se acumula de manera natural en filamentos y vacíos a través de la fuerza de la gravedad. Cuando comparamos estadísticamente los resultados de las simulaciones con nuestros datos (observaciones de muchas galaxias),  los patrones son los mismos: la influencia de la gravedad a través del universo visible ha creado esta descomunal estructura filamentaria, que ha sido denominada la “telaraña cósmica”.

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La simulación Millenium: las áreas más brillantes se corresponden a aquellas en las que existe una mayor concentración de materia y galaxias (puedes ver más sobre esta simulación en este vídeo).

 ¿Qué significa ésto para los detectives que trabajan en el Dark Energy Survey? Resulta que la gravedad tiene un némesis contra el que lucha en su objetivo de crear esta ordenada telaraña: la energía oscura, la fuerza invisible causante de la expansión acelerada del espacio en nuestro universo. Cuanto más rápido crece el espacio con esta aceleración, mayores son las distancias que deben viajar estas galaxias para formar filamentos y cúmulos. Si hay más energía oscura, la gravedad necesita más tiempo para atraer a las galaxias entre sí, y la telaraña se forma más lentamente. Si no hubiera energía oscura, la telaraña se construiría con mayor rapidez. Estudiando a qué velocidad se ha generado esta telaraña aprendemos cómo ha evolucionado la intensidad de la energía oscura, y cómo lo hará en el futuro.

 

La evolución de la estructura de la telaraña cósmica es clave para entender la batalla entre la gravedad y la energía oscura y estudiar esta última. Sirve además para contestar una pregunta muy concreta: ¿existe siquiera la energía oscura?

La mayor parte de los astrónomos está de acuerdo en que hay una evidencia aplastante para la existencia de la aceleración cósmica. Por varias razones, la hipótesis más plausible para explicar la misma parece ser una nueva fuerza o una nueva e invisible energía “oscura”. La alternativa más sólida es las posibilidad de que haya que cambiar las leyes que hemos establecido para la gravedad (concretamente, la teoría de la relatividad general de Einstein). Debido a que físicos y astrónomos han probado estas leyes en numerosas ocasiones tanto en la Tierra como en el Sistema Solar y en el interior de las galaxias, este cambio sólo podría manifestarse como un efecto a escalas mucho más grandes. Un cambio en estas leyes podría estar causando la impresión de que existe una aceleración cósmica si aplicamos la formulación incorrecta, de tal modo que no existiría la energía oscura.

 Esta segunda hipótesis re-escribiría nuestro caso sobre la telaraña cósmica. Quizás en vez de estar luchando contra una fuerza desconocida (la energía oscura), lo que ocurre es que simplemente la gravedad no se propaga de la manera que esperábamos, a grandes distancias. Las medidas de la telaraña cósmica, junto con otras medidas de la aceleración cósmica, serán claves para desentrañar si estamos ante un campo de batalla entre la gravedad y la energía oscura, o si simplemente la gravedad funciona de manera diferente a lo que imaginábamos. Cualquiera de estas conclusiones (¡o quizás alguna incluso más extraña!) supondrá una revisión fundamental de nuestras nociones sobre cómo funciona el universo.

A medida que el Dark Energy Survey acumula más y más imágenes hermosas de cientos de millones de galaxias durante los próximos cinco años, nuestros detectives seguirán registrando cuidadosamente sus posiciones, mapeando la telaraña, esperando identificar qué fuerzas están actuando en la oscuridad.

 

Detective Ross Cawthon

Imagen: Detectives Marty Murphy y Reidar Hahn

Traducción: Nacho Sevilla

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Our dark, tangled web: Clues of dark energy

DES0006-4123_20141218_00_gri_20141219_000.edit1.0_950pxLurking beneath a sea of light, an intricate pattern rustles and changes ever so slowly. It is built from dark, and nearly invisible, cosmic forces. Amidst the clumps and knots of galaxies lay empty, usually fallow spaces. While each galaxy, with its billions of stars, has a unique story of birth and evolution, we don’t miss the forest for the trees. Taken as a whole, the pattern of clusters and voids in our galaxy maps can tell us about the dark forces that shape our universe.

Sloan Digital Sky Survey: Galaxy Map

Mapping of galaxies by the Sloan Digital Sky Survey out to 2 billion light-years away. Red and green points indicate positions of galaxies, with red points having a larger density of galaxies. The fully black areas on the sides are parts of the sky inaccessible to the survey. (See also the SDSS fly-through.)

Looking at the image from the Dark Energy Camera (above), we can see a plethora of celestial objects, including many blue, red and yellow smudges, many of which are distant galaxies. It may appear that these galaxies are randomly strewn about the cosmos. However, astronomers charting the locations of these galaxies across large distances have found that galaxies are organized into structures, into cosmic patterns that can span swaths of space and time much larger than what is seen in this image. The figure on the right, from the Sloan Digital Sky Survey, shows a map of millions of galaxies. These galaxies appear to cluster into knots and filaments (areas with many galaxies), and leave behind voids (areas with few or no galaxies). Some filamentary structures stretch across a billion light-years  – 60 trillion times the distance from the Earth to the Sun!

Like any good detective, we cannot ignore a pattern. How do galaxies, separated by up to billions of light-years, eventually coalesce into the great cosmic structures we see today? It turns out the ‘mastermind’ of this cosmic operation is a familiar friend (and foe) to us on Earth: the force of gravity.

Using computer simulations, astronomers have investigated how gravity acts among so many galaxies over such very large distances. The Millennium Simulation, and others like it, show that a mostly random distribution of matter will naturally cluster into filaments and voids through the force of gravity. When we statistically compare the simulation results to our data (observations of many galaxies), the patterns are the same: gravity’s influence throughout the visible universe has fostered this grand filamentary structure, which has been dubbed, “The Cosmic Web.”

Millennium simulation: https://i2.wp.com/www.mpa-garching.mpg.de/galform/virgo/millennium/seqB_063a_half.jpg

The Millennium Simulation: brighter areas are where more matter and galaxies have concentrated. (See more of this simulation in this fly-through video).

 

What does this mean for the detectives working on the Dark Energy Survey? It turns out that gravity has a nemesis in its goal for creating web-like order across the universe: dark energy, the invisible force causing the accelerated expansion of space throughout the universe. The faster space grows and accelerates, the greater the distances galaxies must travel to form filaments and clusters. If there is more dark energy, gravity needs more time to pull galaxies together, and web-like structure develops slowly. If there is no dark energy, the web gets built quickly. By studying how quickly or slowly the cosmic web was built across time, we learn how strong dark energy has been and if it is growing stronger or weaker.

The battle between gravity and dark energy, manifested in the evolving structure of the cosmic web, is a key way to study dark energy. In fact, the cosmic web is particularly important for answering one specific question: is there even dark energy at all?!

Most astronomers agree that there is overwhelming evidence for the accelerated expansion of the universe. For many reasons, the most plausible source of this acceleration is some new force or otherwise unseen, “dark” energy. The leading alternative theory though is a change in the laws of gravity (specifically, in Einstein’s laws of general relativity). Since physicists and astronomers have tested Einstein’s laws numerous times on Earth, the Solar System, and within galaxies, the change would only manifest itself at much larger distance scales. It could be causing the appearance of cosmic acceleration, such that there might be no dark energy.

This second hypothesis would re-write our case file on the cosmic web. Perhaps instead of fighting against dark energy, gravity is just not carrying quite the influence across billions of light years that we’ve predicted. Measurements of the cosmic web, in conjunction with other measures of cosmic acceleration, will be key in telling us whether our universe is a battleground for dark energy and gravity, or if gravity is just different than previously thought. Either conclusion (or perhaps an even stranger one!) would signify a fundamental revision in how we think about the workings of our universe.

As the Dark Energy Survey collects more beautiful images of hundreds of millions of galaxies over a five-year span, our detectives will be carefully logging their positions, charting out the cosmic web, hoping to identify what forces are at work in the dark.

Detective Ross Cawthon (University of Chicago)

Image: Det.’s Marty Murphy and Reidar Hahn

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Nosso emaranhado escuro: onde está Wally?

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As estruturas cósmicas tecidas durante a batalha entre gravidade e energia escura se apresentam como um desafio multifacetado para cientistas, enquanto tentamos separar cada galáxia da cacofonia luminosa de filamentos e aglomerados de galáxias que se distribuem ao longo de grandes trechos do espaço e tempo.

É incrível admirar as belas imagens feitas pela Camera da Energia Escura (DECam) no telescópio Blanco. A imagem acima mostra um aglomerado de galáxias superposto a um pano de fundo formado por galáxias ainda mais distantes. Para investigar os mistérios da expansão acelerada do universo, cientistas do Dark Energy Survey (DES) precisam ir além – é necessário desenvolver um censo completo do conteúdo do universo: quantas estrelas e galáxias existem num dado pedaço de tecido do espaço-tempo.

Um passo crítico é a criação de uma lista exata e detalhada de objetos celestes observados: o que astrofísicos e astrônomos chamam de “catálogos”. Os tipos de informação mais comuns nesses catálogos são posição e brilho: esse é o conteúdo mínimo de informação necessário para determinarmos onde a galáxia reside e o quanto ela brilha.

Com os dedicados cientistas do time de gerenciamento de dados e computadores poderosos no Centro Nacional de Aplicações de Supercomputação (NCSdA), o DES desenvolveu novos algoritmos e processos para extrair objetos de nossas imagens de forma eficiente.

Entretanto, existe um limite para o que podemos fazer. Por exemplo, um objeto muito distante pode ser pequeno e brilhar fracamente – tão fracamente que se confunde com o próprio céu e é perdido durante o processo de criação do catálogo. Em alguns casos, não é nem mesmo possível discernir um objeto fraco do céu ruidoso. Além disso, nem todo objeto astronômico é “passível” de ser catalogado: pois pode estar mesclado a um outro objeto. Por exemplo, próximo ao centro da imagem acima existe uma galáxia grande e brilhante com vário vizinhos menores que ela. Discernir todos os objetos nessa imagem tem uma dificuldade similar a de se encontrar uma mosca na foto de um elefante.

Ademais, esses objetos não se escondem apenas dos olhos, mas também dos computadores e seus algoritmos quando o céu está cheio deles: descobrir e medir as propriedades de um pequeno objeto se torna tão difícil quanto encontrar o Wally numa praia lotada!

DES produz imagens mais detalhadas que projetos anteriores, como o Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Dessa forma, somos mais incomodados por esse problema de fontes “mescladas”. Nos deparamos com uma rede mais emaranhada. Para solucionar esse caso, um grupo de cientistas do DES empregou um algoritmo de restauração de imagens, derivado de um trabalho feito por cientistas da área de visão computacional. Esse algoritmo elimina com êxito o impacto de vizinhos próximos quando se cataloga esses objetos “escondidos”. Ao aplicar em imagens do DES, eles foram capazes de encontrar muitos “Wallys” e adicioná-los aos catálogos do DES.

Para uma descrição mais detalhada do método, você pode achar uma prévia do artigo aqui: http://arxiv.org/abs/1409.2885.

 

Det.’s Yuanyuan Zhang e B. Nord

Imagem: Det.’s Marty Murphy e Reidar Hahn

Tradução: Det. Ricardo Ogando

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Nuestra oscura y enmarañada telaraña: ¿Dónde está Wally?

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Las estructuras cósmicas entrelazadas entre sí durante el tira y afloja entre la gravedad y la energía oscura representan un reto de múltiples caras para los científicos, ya que tratamos de desenredar cada galaxia individualmente de la cacofonía luminosa de filamentos y cúmulos, a través de enormes extensiones en el espacio y el tiempo.

Nos encanta admirar las imágenes tomadas por la Cámara de la Energía Oscura (DECam) en el telescopio Blanco. La que incluimos en esta entrada muestra un cúmulo de galaxias sobre un fondo de otras galaxias aún más lejanas. Para investigar los misterios de la expansión acelerada, los científicos del Dark Energy Survey (DES), deben ir un poco más allá de la simple observación casual. Necesitamos desarrollar un censo exhaustivo del contenido de materia a lo largo y ancho del universo: ¿cuántas estrellas y galaxias hay en una muestra dada del espacio-tiempo?

Un paso crucial en este proceso es la creación de una lista detallada y fiable de los objetos celestes observados denominados “catálogos” por astrofísicos y astrónomos. Las piezas de información más básicas son la posición y el brillo: ésta es la información mínima necesaria para saber dónde reside una galaxia dada de dicho catálogo en el espacio-tiempo .

Gracias a los científicos que trabajan duramente en el equipo de gestión de datos del proyecto y a los potentes ordenadores del Centro Nacional para Aplicaciones de Supercomputación estadounidense (NCSA), DES ha desarrollado nuevos algoritmos y datoductos para extraer eficazmente los objetos a partir de nuestras imágenes.

Comenzamos con imágenes en bruto directamente desde DECam, que luego refinamos para eliminar artefactos, como trazas de satélites, rayos cósmicos y píxeles defectuosos. A partir de estas imágenes procesadas o “reducidas”, buscamos y caracterizamos objetos individuales, como galaxias y estrellas, separando el grano de la paja.

Sin embargo, hay un límite a lo que podemos llegar a hacer. Por ejemplo, un objeto muy lejano puede aparecer extremadamente pequeño y débil – tan débil que se confundirá con el resto de la señal proveniente cielo y no será detectado durante el proceso de catalogación. En algunos casos, no es posible diferenciar entre un objeto débil y una sección particularmente ruidosa del cielo. Además, no todos los objetos astronómicos están “dispuestos” a ser catalogados así por así: pueden estar ocultos como parte de otro objeto. Por ejemplo, cerca del centro de la imagen de hoy, hay una galaxia grande y brillante con varios vecinos más pequeños. Discernir todos los objetos en este caso es similar a la dificultad que uno podría tener en fijarse en una pulga en una foto de un elefante.

Los objetos también tienden a “esconderse” de los algoritmos que los buscan cuando un pedazo del cielo está repleto de ellos. ¡Detectar un objeto pequeño se hace tan difícil como encontrar a Wally en una playa atestada!

DES toma imágenes más detalladas que las de proyectos anteriores como el Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Por lo tanto, estamos más afectados por este problema. Vemos una telaraña más enredada. Como solución, un grupo de científicos de DES ha empleado un algoritmo de restauración de imágenes, derivado del trabajo de especialistas en visión computerizada. Este algoritmo elimina con éxito el impacto de vecinos cercanos al catalogar los objetos escondidos. Tras la aplicación a imágenes de DES, han sido capaces de encontrar muchos “Wallys”, que podemos añadir a los catálogos.

Para una descripción más detallada del método, podéis encontrar un borrador del artículo en: http://arxiv.org/abs/1409.2885 (en inglés).

 

Detectives YuanYuan Zhang y B.Nord

Imagen: Detectives Marty Murphy y Reidar Hahn.

Traducción: Nacho Sevilla

 

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Our dark, tangled web: Where’s Waldo?

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Cosmic structures woven together during the tug of war between gravity and dark energy present a multi-faceted challenge for scientists, as we seek to untangle each galaxy from the luminous cacophony of filaments and clusters across large swaths of space and time.

We love staring at the beautiful images taken by the Dark Energy Camera (DECam) at the Blanco telescope. The image above shows a cluster of galaxies laid on a backdrop of even more distant galaxies. To investigate the mysteries of the accelerating expansion, Dark Energy Survey (DES) scientists need to do a bit more – we need to develop a comprehensive census of the content across the universe: how many stars and galaxies are there in a given swatch of space-time fabric?

A critical step comes in creating a high-fidelity and detailed list of the observed celestial objects: these are called “catalogs” by astrophysicists and astronomers. The most common pieces of information are the position and brightness: this is the minimum information necessary to know where a galaxy resides in spacetime. 

With our hard-working scientists in the data management team and the powerful computers at National Center for Supercomputing Applications (NCSA), DES has developed new algorithms and pipelines for efficiently sifting the objects out of our images. We start with raw images straight from DECam, and then we refine them to remove artifacts, like satellite trails, cosmic rays and faulty pixels. From these “reduced” images, we must then find and characterize discrete objects, like galaxies and stars – cut the wheat from the chaff.

However, there is a limit to what we can do. For example, a very far-away object may appear extremely small and faint – so faint that it will look like a piece of the sky and get missed during the cataloging procedure. In some cases, it is not possible to tell the difference between a faint object and a noisy patch of sky. In addition, not every astronomical object is “willing” to be cataloged: it can be disguised as a part of another object. For example, near the center of today’s image,  there is a very large, bright galaxy with many smaller neighbors. Discerning all the objects here is similar to the difficulty one might have in noticing a flea in a picture of an elephant.

Objects also tend to hide from the computers when a piece of the sky is full of them: spotting a small object becomes as difficult as finding Waldo (Wally) on a crowded beach!

DES takes more detailed images than previous projects, like the Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Thus, we are more pestered by the “hiding” objects problem. We see a more tangled web. As one solution, a group of DES scientists have employed an image restoration algorithm, derived from work by computer vision scientists. This algorithm successfully eliminates the impact of close neighbors when cataloging the “hiding” objects. Upon application to DES images, they have been able to find many “Waldos,” so we can add them to DES catalogs.

For more detailed description of the method, you can find a preprint of the paper here: http://arxiv.org/abs/1409.2885.

Det.’s Yuanyuan Zhang and B. Nord

Image: Det.’s Marty Murphy and Reidar Hahn