26 milionów galaktyk w tydzień. Tak działa kosmiczne obserwatorium Euclid

Praca teleskopu Euclid również ma przyczynić się do stworzenia katalogu różnicującego galaktyki na różne typy oraz oceny ich odległości, ale to tylko jedno z postawionych mu zadań. W ciągu 6 lat pracy w kosmosie (w lokalizacji podobnej do tej, którą zajmuje teleskop Webb) Euclid ma dostarczać około 100 GB danych każdego dnia. Gdy powstanie finalny katalog, będzie zawierał wedle szacunków dane dla co najmniej 1,5 miliarda galaktyk. Uzyskane na podstawie obserwacji informacje o ich kształcie, rozmieszczeniu w przestrzeni, pozwolą poszerzyć naszą wiedzę o naturze obserwowalnego wszechświata i jego ewolucji w czasie.

Euclid przyczynić może się do rozwikłania zagadki ciemnej materii i energii oraz ich znaczenia dla obecnej struktury i dynamiki kosmosu. Obserwacje, które wykona ten teleskop, są doskonałym przykładem jak bardzo zmieniła się astronomia w ciągu 100 lat. W 1925 r. Edwin Hubble pomógł nam zrozumieć, że te gwiezdne wyspy na niebie to nie mgławice w Drodze Mlecznej, a oddzielne odległe galaktyki podobne do naszej.

Jeden tydzień obserwacji i tyle danych dla głębokiego kosmosu (Deep Field)

W latach 20. XX wieku astronomowie mogli obserwować setki, a nawet tysiące galaktyk, choć w pojedynczych publikacjach ograniczali się do opisu niewielu z nich. Do połowy stulecia liczba sklasyfikowanych obiektów tego typu była co najmniej o rząd wielkości większa. Jednak wciąż nie były to obserwacje tak dokładne i przeprowadzane tak szybko jak obecnie. Pierwszy raz głęboko w kosmos zajrzał teleskop Hubble w 1995 r. ukazują galaktyki prawie na krawędzi czasu, czyli odległe o ponad 12 miliardów lat świetlnych (odległość wyrażona jest tu jako czas potrzebny na dotarcie ich światła do nas). Potem wykonywano jeszcze głębsze obrazy kosmosu, a w 2022 r. pierwszą taką obserwację wykonał teleskop Webba. 

Na żółto zaznaczone trzy głębokie pola obserwowane przez Euclid nałożone na połączone obrazy całego nieba na podstawie danych z teleskopu Gaia i Planck. Ciemny poziomy pas to dysk Drogi Mlecznej. (fot: ESA)

Udostępniona publicznie pierwsza porcja obserwacji z teleskopu Euclid zawiera obrazy 26 milionów galaktyk właśnie w tak zwanym głębokim polu (Euclid Deep Field - EDF). Najdalsze znajdują się 10,5 miliarda lat świetlnych od nas. By uzyskać te dane teleskop obserwował jedynie przez tydzień trzy obszary nieba o łącznej powierzchni 63 stopni kwadratowych (EDF North, EDF South i EDF Fornax). To tyle co powierzchnia nieba zajmowana przez 300 tarcz Księżyca w pełni. Wszystkie obserwacje poczynione dotychczas przez Euclid pokrywają już 2000 stopni kwadratowych - obecnie zaprezentowane dane to tzw. szybka publikacja ilustrująca potencjał tego obserwatorium. Do 2030 r. Euclid dokona obserwacji 14 tysięcy stopni kwadratowych, co stanowi 1/3 całej sfery niebieskiej. Każdy fragment nieba będzie sfotografowany 30 do 52 razy.

Bez sztucznej inteligencji ani rusz z analizą danych

Samo zapewnienie obserwacji to nie wszystko. Potrzebne są też ludzie i algorytmy, którzy odpowiednio je zinterpretują. Euclid trafił na dobry czas rozwoju komputerów i technik obliczeniowych, na wczesną erę sztucznej inteligencji (AI). Dobrze to podsumowuje Mike Walmsley, z Uniwersystetu Toronto w Kanadzie, należący do konsorcjum Euclid (instytucji, która zajmuje się utrzymaniem teleskopu i wykorzystaniem danych). Twierdzi - jesteśmy w kluczowym momencie, gdy chodzi o to jak radzimy sobie z danymi z wielkoskalowych przeglądów nieba w astronomii - zauważając, że obecnie - sztuczna inteligencja stanowi podstawowy i niezbędny element procesu wydobywania informacji z danych obserwacyjnych Euclid. To co kiedyś zajmowało lata, dziś zdaniem Walmsleya - możemy dostarczyć na przestrzeni tygodni.

EDF South, fragment w powiększeniu 70x. I pomyśleć, że prawie cały kosmos wygląda podobnie, gdy zajrzeć weń odpowiednio głęboko. (fot: ESA)

Pierwszy katalog i aż 500 silnych soczewek grawitacyjnych

Pierwszy katalog galaktyk zawiera tylko niewielką część z tych, które Euclid już zaobserwował. Do klasyfikacji kształtu i najważniejszych cech wyglądu dla 380 tysięcy galaktyk (to wielokrotnie więcej niż sklasyfikowali wszyscy astronomowie w historii przed epoką lotów kosmicznych) wykorzystano algorytm AI o nazwie Zoobot. Był on przez miesiąc uczony rozpoznawania obiektów na niebie przez prawie 10 tysięcy wolontariuszy w ramach kampanii Galaxy Zoo.

Analiza obrazów galaktyk pozwala także wykryć te, których kształt jest zdeformowany przez zjawisko silnego soczewkowania. To efekt zadziałania dużej masy (galaktyka lub ich gromada), która znajduje się na drodze światła od jeszcze odleglejszej galaktyki, w sposób podobny do szklanej soczewki. Nie tylko skupia ona i wzmacnia światło, ale też deformuje obraz, czego efektem są zwielokrotnione i łukowate obrazy galaktyk, czy tak zwane pierścienie Einsteina (obraz galaktyki o kształcie pierścienia). By zwizualizować sobie działanie soczewkowania grawitacyjnego można ustawić szklankę z wodą, przez którą na stół padają promienie słoneczne. Zobaczymy wtedy różnorodne kształty zależne od tego jak szklanka będzie ustawiona względem padającego światła.

112 przykładów silnego soczewkowania grawitacyjnego z obserwacji teleskopu Euclid. (fot: ESA)

Euclid dotychczas zaobserwował 500 takich przykładów silnego soczewkowania. Większość z nich wcześniej nie obserwowanych. Do końca 2026 r. spodziewane jest skatalogowanie 7000 takich zjawisk, a 100 tysięcy pod koniec misji. Ich rozmieszczenie i sposób w jaki wpływają na obrazy innych galaktyk pozwolą astronomom stworzyć najlepszy trójwymiarowy obraz rozmieszczenia materii we wszechświecie.

Źródło: Euclid, ESA, inf. własna