Profesyonel gökbilimciler, arka bahçe teleskopu ile olabileceğiniz gibi bir mercekten bakarak keşif yapmazlar. Bunun yerine, büyük teleskoplara bağlı büyük kameralarda dijital görüntüler toplarlar.
Tıpkı cep telefonunuzda depolanan sonsuz bir dijital fotoğraf kütüphanesine sahip olabileceğiniz gibi, birçok gökbilimci bakacak zamana sahip olduğundan daha fazla fotoğraf toplar. Bunun yerine, benim gibi gökbilimciler bazı görüntülere bakar, sonra algoritmalar oluşturur ve daha sonra gerisini birleştirmek ve analiz etmek için bilgisayarları kullanırlar.
Ancak, yazdığımız algoritmaların, tüm görüntülere bakmak için zamanımız olmadığında işe yarayacağını nasıl bilebiliriz? Bazı görüntüler üzerinde pratik yapabiliriz, ancak en iyi algoritmaları oluşturmanın yeni bir yolu, bazı sahte görüntüleri olabildiğince doğru bir şekilde simüle etmektir.
Sahte görüntülerle, görüntüdeki nesnelerin kesin özelliklerini özelleştirebiliriz. Bu şekilde, eğittiğimiz algoritmaların bu özellikleri doğru bir şekilde ortaya çıkarıp ortaya koyamayacağını görebiliriz.
Araştırma grubum ve işbirlikçilerim, sahte ama gerçekçi astronomik görüntüler yaratmanın en iyi yolunun ışığı ve karşılaştığı her şeyle etkileşimini titizlikle simüle etmek olduğunu buldular. Işık foton adı verilen parçacıklardan oluşur ve her fotonu simüle edebiliriz. Photon Simulator veya Phosim adlı bunu yapmak için halka açık bir kod yazdık.
Phosim projesinin amacı, gerçek teleskoplardan gelen görüntülerdeki bozulmaların nereden geldiğini anlamamıza yardımcı olan gerçekçi sahte görüntüler yaratmaktır. Sahte görüntüler, gerçek teleskoplardan görüntüleri sıralayan programları eğitmemize yardımcı olur. Ve Phosim kullanan çalışmalardan elde edilen sonuçlar, gökbilimcilerin gerçek teleskop görüntülerindeki bozulmaları ve kusurları düzeltmelerine yardımcı olabilir.
Veri Tuju
Ama önce, neden ilk etapta bu kadar çok astronomi verisi var? Bu öncelikle özel anket teleskoplarının yükselişinden kaynaklanmaktadır. Bir anket teleskopu, sadece belirli nesnelere işaret etmek yerine gökyüzündeki bir bölgeyi haritalar.
Bu gözlemevlerin tümü büyük bir toplama alanı, geniş bir görüş alanı ve mümkün olduğunca fazla ışık toplamak için özel bir anket moduna sahiptir. Son yirmi yıldan kalma büyük araştırmalar arasında SDSS, Kepler, Blanco-Decam, Subaru HSC, TESS, ZTF ve EUCLID bulunmaktadır.
Şili’deki Vera Rubin Gözlemevi yakın zamanda inşaatı bitirdi ve yakında bunlara katılacak. Anketi, 23 Haziran 2025’teki resmi “İlk Bakış” etkinliğinden kısa bir süre sonra başlıyor. Özellikle güçlü bir anket yeteneklerine sahip olacak.
Rubin Gözlemevi, bir anda dolunaydan birkaç kat daha büyük olan gökyüzünün bir bölgesine bakabilir ve her birkaç gecede her güney göksel yarımküreyi inceleyebilir.
Bir anket, astronomi içindeki her konuya ışık tutabilir.
İddialı araştırma sorularından bazıları şunlardır: karanlık madde ve karanlık enerji hakkında ölçüm yapmak, Samanyolu’nun yıldızların dağılımını haritalamak, güneş sisteminde asteroitler bulmak, evrendeki üç boyutlu bir galaksiler haritası oluşturmak, güneş sisteminin dışında yeni gezegenler bulmak ve süperovalar da dahil olmak üzere zaman içinde değişen milyonlarca nesneyi izlemek.
Tüm bu anketler büyük bir veri tufanı yaratıyor. Her gece onlarca terabayt üretiyorlar – saniyeler içinde toplanan milyarlarca pikselden milyonlarca. Rubin Gözlemevi’nin aşırı durumunda, gün boyu 4K televizyon ekranının boyutuna eşdeğer görüntülere yaklaşık bir saniye boyunca bakarak geçirdiyseniz, onlara 25 kez çok yavaş bakacaksınız ve asla devam etmeyeceksiniz.
Bu oranda, hiçbir insan tüm görüntülere bakamazdı. Ancak otomatik programlar verileri işleyebilir.
Gökbilimciler sadece bir gezegen, Galaxy veya Supernova gibi astronomik bir nesneyi bir kez araştırmazlar. Genellikle aynı nesnenin boyutunu, şeklini, parlaklığını ve konumunu birçok farklı koşulda birçok farklı şekilde ölçeriz.
Ancak daha fazla ölçüm daha fazla komplikasyonla birlikte gelir. Örneğin, belirli hava koşullarında veya kameranın bir kısmında alınan ölçümler, farklı yerlerde veya farklı koşullar altında başkalarıyla aynı fikirde olmayabilir. Gökbilimciler bu hataları (sistematik olarak adlandırılan) dikkatli kalibrasyon veya algoritmalarla düzeltebilirler, ancak sadece farklı ölçümler arasındaki tutarsızlığın nedenini anlarsak. Phosim burada devreye giriyor. Düzeltildikten sonra tüm görüntüleri kullanabilir ve daha ayrıntılı ölçümler yapabiliriz.
Simülasyonlar: Her seferinde bir foton
Bu sistematiğin kökenini anlamak için, ışık parçacıklarının – fotonların – dünyanın atmosferi üzerinden ve daha sonra teleskop ve kameraya yayılmasını simüle edebilen Phosim’i inşa ettik.
Phosim, hava türbülansı da dahil olmak üzere atmosferi, teleskopun aynalarının şeklinden ve sensörlerin elektriksel özelliklerinden bozulmaları simüle eder. Fotonlar, fotonların havayla karşılaştıklarında ve teleskopun aynaları ve lensleriyle karşılaştıklarında ne yaptığını tahmin eden çeşitli fizik kullanılarak yayılır.
Simülasyon, bir görüntü yapmak için fotonlar tarafından bir piksel ızgarasına atılan elektronları toplayarak sona erer.
Işığın trilyonlarca foton olarak temsil edilmesi hesaplamalı olarak etkilidir ve rastgele örnekleme kullanan Monte Carlo yönteminin uygulanmasıdır. Araştırmacılar, Rubin Gözlemevi’nin tasarımının bazı yönlerini doğrulamak ve görüntülerinin nasıl görüneceğini tahmin etmek için Phosim’i kullandılar.
Sonuçlar karmaşıktır, ancak şimdiye kadar teleskop aynalarındaki sıcaklıktaki varyasyonu, görüntülerde doğrudan astigmatizme – karşı bulanıklık – bağladık. Ayrıca atmosferde teleskopa giderken ışığı bozabilecek yüksek irtifa türbülansının görüntüdeki yıldızların ve galaksilerin pozisyonlarını nasıl kaydırdığını ve rüzgarla ilişkili bulanıklaşmaya neden olduğunu inceledik. Teleskop sensörlerindeki elektrik alanlarının – dikey olması amaçlanan – görüntüleri nasıl çarpıtabileceğini ve çözdüğünü gösterdik.
Araştırmacılar bu yeni sonuçları ölçümlerini düzeltmek ve teleskopların topladığı tüm verilerden daha iyi yararlanabilirler.
Geleneksel olarak, astronomik analizler bu detay seviyesi hakkında endişelenmedi, ancak mevcut ve gelecekteki araştırmalarla titiz ölçümler yapmalı. Gökbilimciler, daha derin bir anlayış seviyesi elde etmek için simülasyonları kullanarak bu veri tufanından en iyi şekilde yararlanabilirler.
