Operaciones
DES cartografiará en total 5000 grados cuadrados del cielo meridional (aproximadamente un octavo del cielo) durante 525 noches usando DECam, que se encuentra montada en el telescopio Blanco de 4 metros en el Observatorio Interamericano de Cerro Tololo, apostado entre las cumbres de los Andes chilenos. Se encuentra registrando información de más de 300 millones de galaxias, algunas tan débiles que su luz es un millón de veces más tenue que la estrella más débil que puede detectarse a simple vista. Asimismo, DES está continuamente descubriendo y midiendo el brillo de miles de supernovas mediante la repetición de apuntado en diez regiones concretas del cielo cada seis noches.
Estrategia de observación
Figura 1: El telescopio Blanco y la Vía Láctea. Foto: Reidar Hahn, Fermilab
La estrategia de observación de DES se compone de dos partes: un mapeado de área amplia y un muestreo en tiempo. El cartografiado de área amplia cubre una región ancha y contigua del cielo (5000 grados cuadrados), observando cada punto del cielo hasta diez veces en cada filtro a lo largo de la duración del proyecto. Todo este tiempo acumulado es necesario si queremos detectar las galaxias más débiles, mientras que la amplitud del barrido del cielo nos permite al mismo tiempo registrar un gran número de ellas. El muestreo en tiempo cubre un área mucho más pequeña (27 grados cuadrados), pero las exposiciones se repiten un gran número de veces en intervalos regulares de seis días.
El cartografiado amplio
No todos los puntos del cielo son igualmente útiles para hacer medidas de energía oscura. La selección de la zona del cielo a escudriñar es clave para usar el tiempo de telescopio de manera eficiente.
Vivimos en el seno de la Vía Láctea, un conjunto de miles de millones de estrellas distribuidas en forma de disco que puede vislumbrarse como una banda débil de luz que recorre el cielo, si se contempla en una noche oscura lejos de fuentes de luz artificial como son las ciudades. Las estrellas y el polvo del interior de la Vía Láctea obstruyen nuestra línea de visión hacia las galaxias lejanas que intentamos medir, de modo que el mapeado está diseñado para mirar galaxias alejadas de la Vía Láctea. Idealmente, también nos interesa concentrarnos en la parte del cielo que pasa por el cénit desde la sede del telescopio en Chile. La figura de la izquierda muestra la planta del cartografiado (región coloreada) en una proyección de todo el cielo en coordenadas celestes. La línea discontinua muestra la localización aproximada de la Vía Láctea en estas coordenadas, indicando que el área que muestreamos se halla alejada del plano de la Galaxia.
Figura 2: Huella del cartografiado en el cielo. Imagen: O.Lahav y colaboradores (2016)
También hemos diseñado el proyecto para cubrir áreas del cielo que han sido observadas por experimentos complementarios. Por ejemplo, el South Pole Telescope (SPT) ha cartografiado la radiación del fondo de microondas abarcando una región de 2500 grados cuadrados, coincidiendo con la zona marcada en rojo en la figura. La combinación de los datos de DES y SPT para delimitar los modelos de formación de estructura, proporciona pistas importantes para la energía oscura. La zona del “cañón” (azul y roja en la figura) a lo largo del ecuador celeste es otra zona que ha sido observada por otros telescopios, tanto en el óptico como en otras longitudes de onda. Esta región, que pasa directamente sobre la cabeza de un observador situado en el ecuador, es visible tanto desde el hemisferio norte como desde el sur, mientras que el resto de la planta sólo es visible desde el sur.
Estos requisitos variopintos sobre la forma y extensión de la planta de observación del cartografiado en el cielo da lugar a la extraña forma que se muestra aquí: una serie de regiones rectangulares a lo largo del ecuador celeste, una región extensa cuasi-rectangular en el sur solapando con las observaciones del SPT y una zona redondeada de “conexión” entre ambas que completa el mapa.
Observando
Figura 3: Observadores de DES (Douglas Tucker y Sahar Allam) en el comedor de Cerro Tololo.
La observación con DES tiene lugar desde agosto a febrero cada año, cuando la planta del cartografiado pasa por el cenit durante la noche. Aunque las decisiones sobre el apuntado las toma un algoritmo (ObsTac, ver más abajo), los miembros de la colaboración DES trabajan desde la sala de control del telescopio todas las noches desde el principio hasta el final de la secuencia de observación, monitorizando los sistemas y haciendo una primera evaluación de la calidad de los datos, además de registrar el progreso del mapeado.
Nuestro observadores duermen en apartamentos en la montaña, a tan sólo un pequeño paseo de distancia desde el telescopio, durmiendo durante el día y usando el telescopio y la cámara durante la noche. Cada observador normalmente permanece en la montaña aproximadamente una semana. Cada noche, dos o tres miembros de DES trabajan desde la consola del telescopio controlando las observaciones, uno de ellos vigilando la operación de la cámara, otro monitorizando los datos, además de un líder de observación que supervisa estas actividades y se comunica con el grupo de operaciones de DES cada tarde.
Observing Tactician (ObsTac)
Varios factores entran en juego a la hora de considerar cuál debe ser la siguiente exposición de la cámara en una noche dada. Las imágenes se toman en condiciones diferentes a distintas horas de la noche o distintas épocas del año. Por ejemplo si la luna está alta, utilizaremos filtros más rojos, menos perjudicados por la luz azulada de la luna. Las regiones del cielo que se han completado no deben ser re-observadas, mientras que las que han tenido imágenes pobres deben programarse para su re-observación. Además, hay que priorizar las regiones que están altas en el cielo en un momento dado, para minimizar la cantidad de aire que la luz tiene que atravesar y así obtener las imágenes de la mejor calidad posible.
Cuando se observa en el modo de cartografiado amplio, DES toma una imagen cada dos minutos: 90 segundos de exposición y unos 30 segundos para viajar de un punto a otro del cielo mientras se registran los electrones recogidos por la cámara. Para perder el mínimo tiempo posible, no es práctico que un ser humano tenga que llevar toda la contabilidad necesaria y combinarlas con la condiciones nocturnas a lo largo de una noche. Lo más eficiente es automatizar la selección y ejecución de las observaciones científicas a lo largo de la noche.
El software de táctico de observación (ObsTac, por sus siglas en inglés), automatiza la selección de imágenes, teniendo en cuenta todos los factores mencionados: hora, fecha, condiciones meteorológicas, fase y localización de la luna, además de registrar lo que se lleva observado y lo que queda para completar el proyecto. ObsTac manda instrucciones al telescopio sobre dónde apuntar, con qué filtro y durante cuánto tiempo. También decide cuando observar con el cartografiado amplio y cuando pasar al “modo supernova” para el muestreo temporal de las regiones de búsqueda de supernovas. Para este tipo de búsquedas la calidad de la atmósfera no es tan importante, pero hay que recordar que hay que revisitar las regiones semanalmente para asegurarnos el descubrimiento de las supernovas y una cadencia adecuada de una semana para seguir sus curvas de luz.
Gestión de datos
Figura 4: El supercomputador Blue Waters en las instalaciones de NCSA.
¿Qué ocurre con una imagen una vez ha sido tomada por DECam? Aquí es cuando entra en juego el sistema de gestión de datos del DES (DESDM). Su infraestructura y capacidad computacional permite almacenar y procesar los datos para convertirlos en imágenes y catálogos útiles para el análisis científico. Las imágenes se envían desde el observatorio por internet a través del sistema de transferencia de datos del NOAO hasta el National Center for Supercomputing Applications (NCSA) en la universidad de Illinois en Urbana-Champaign, Illinois (UIUC). Una vez allí, el sistema de DESDM procesa cada imagen, eliminando artefactos debidos a la cámara, sustrayendo la señal proveniente del cielo nocturno, produciendo una imagen “reducida” o “limpia”. Estas imágenes se analizan para determinar si cumplen con los criterios de calidad. Las que lo pasen se usarán para posteriores análisis; las que no se vuelven a programar para su observación. Las imágenes de supernova se deben procesar rápidamente para identificar nuevas supernovas que deban ser seguidas con otros telescopios. El equipo de DESDM provee toda la infraestructura necesaria para procesar, gestionar y almacenar las imágenes y los datos científicos para servirlos a la colaboración. DESDM cuenta con astrónomos, expertos en computación e ingenieros de sistemas que trabajan juntos en un ámbito entre la investigación científica y la optimización de sistemas computacionales que la posibilitan.
Cada imagen de DECam tiene aproximadamente un gigabyte de tamaño. DES toma varios cientos a lo largo de la noche, produciendo hasta 2.5 terabytes de datos en una noche, lo que supone una tasa de datos altísima para un proyecto de astronomía. DESDM procesa las imágenes en granjas de computadores en NCSA y Fermilab, normalmente al día siguiente de tomarse. Eso significa que cada noche DES procesa datos como para llenar los discos duros de cuatro ordenadores portátiles.
DES toma imágenes durante medio año aproximadamente. Durante la otra mitad del año, se aprovecha para mejorar el sistema de DESDM. Esto incluye mejorar los algoritmos científicos (cómo se miden las magnitudes de valor científico de las imágenes), depurar los códigos, actualizar las infraestructuras de computación y almacenamiento, ejecutar numerosas pruebas y validar la calidad científica de las imágenes.
Una vez todas estas etapas se han superado, el equipo de DESDM reprocesa todas las imágenes tomadas por DES. Este reprocesado no sólo limpia las imágenes y cataloga estrellas y galaxias, sino que además acumula o suma las imágenes. Este acumulamiento es el proceso de superponer imágenes sobre la misma parte del cielo, produciendo imágenes más profundas, de alta calidad, para el análisis científico. DESDM después libera estas imágenes acumuladas y limpias al resto de la colaboración para permitir a los científicos hacer grandes descubrimientos con los datos.
Los datos tomados por DECam por astrónomos durante los periodos fuera del tiempo asignado a DES se procesan por el datoducto comunitario de DECam en NOAO, también creado por el equipo de DESDM.