Taiteilijan näkemys supernovasta - M. Weiss
"Universumissa on miljardeja tähtiä, ja noin joka sekunti yksi niistä räjähtää. ZTF havaitsee satoja näitä räjähdyksiä joka yö, ja vain muutama niistä vahvistetaan supernoviksi. Menemällä systemaattisesti eteenpäin seitsemän vuoden ajan, olemme saaneet aikaan kattavimman vahvistettujen supernovien rekisterin tähän mennessä", selittää Christoffer Fremling, astronomi Kalifornian teknillisestä instituutista (Caltech), joka johtaa ZTF:n BTS (Bright Transient Survey) -ohjelmaa, joka keskittyy supernovien etsintään.
Bright Transient Survey on tällä hetkellä pääasiallinen lähde näiden kosmisten välähdysten löytämiseen - joita kutsutaan "väliaikaisiksi tapahtumiksi" maailmassa. ZTF jakaa havaintotietovirran väliaikaisista tapahtumista koko astronomiyhteisön kanssa syvempää tutkimusta varten spektrianalyysin avulla. Tämä analyysi paljastaa etäisyyden, tyypin ja muita fysikaalisia ominaisuuksia väliaikaisesta tapahtumasta.
Suurin osa BTS:n näytteestä luokitellaan yhteen kahdesta yleisimmästä tyypistä: Ia-tyypin supernova, kun valkoinen kääpiö varastaa materiaalia naapuritähteltä räjähdykseen asti, tai II-tyypin supernova, kun massiivinen tähti kuolee ja romahtaa oman painovoimansa vaikutuksesta. Näiden tietojen avulla astronomit ovat nyt paremmin varustautuneita tutkimaan pimeän energian toimintaa ja ymmärtämään prosesseja, jotka vaikuttavat tähtien kuolemaan.
"ZTF:n avulla olemme nyt keränneet enemmän Ia-tyypin supernovia kuin kaikki viimeisten kolmenkymmenen vuoden tutkimukset yhteensä", huomauttaa Mickaël Rigault, ZTF:n ryhmän johtaja Ranskassa ja yhteistyön "Kosmologia" -ohjelman vastuuhenkilö.
Noin 70 % BTS-tutkimuksen supernovista on havaittu ja luokiteltu ZTF:n tiimin toimesta kahden Palomarin observatorion teleskoopin täydentävän työn ansiosta, lähellä San Diegosta. Ensimmäinen on 1,2 metrin halkaisijaltaan oleva Samuel Oschin -teleskooppi. Se tarkkailee koko näkyvää taivasta joka toinen yö 60 miljoonan pikselin laajakulmakameran avulla, joka on asennettu sen polttopisteeseen. Uusien astronomisten tapahtumien havaitsemiseksi astronomit vähentävät seuraavien skannausten aikana kuvista saman taivaan osan.
Löytöprosessin seuraavassa vaiheessa ZTF:n tiimin jäsenet tutkivat vähennetyt kuvat ja käynnistävät lisähavainnot lupaavimmille ehdokkaille viereisellä 1,5 metrin teleskoopilla, jossa sijaitsee ZTF:n spektrografi nimeltä SEDm. "Yhdistämme ZTF:n kameran tarjoamat kirkkaustiedot SEDM:n tietoihin tunnistaaksemme oikein väliaikaisen tapahtuman alkuperän ja tyypin, prosessi, jota astronomit kutsuvat väliaikaisten tapahtumien luokitteluksi", selittää Yu-Jing Qin, postdoc Caltechissa.
Tätä varten Mickaël Rigaultin johtama IP2I (CNRS/Université Claude Bernard) -ryhmä on luonut ensimmäisen täysin automaattisen spektristen tietojen vähennysputken SEDm:stä. "Näin saamme analysoitavan spektrin tutkijoille alle 5 minuutissa havainnon päättymisestä", tarkentaa Mickaël Rigault.
Vuodesta 2012 lähtien astronomit ovat seuranneet väliaikaisten tapahtumien löytöjä julkisella alustalla nimeltä "Transient Name Server" (TNS). Maailmanlaajuinen yhteisö käyttää tätä alustaa ilmoittaakseen havaintojen ja luokitusten väliaikaisista tapahtumista.
Jakamalla löytöjään astronomit luovat virtuaalisen maailmanlaajuisen observatorion, jossa luokittelemattomia väliaikaisia tapahtumia voivat luokitella muut astronomiryhmät, joilla on spektriset laitteet. Tämän yhteisen työn ansiosta TNS:ssä on nykyään noin 16 000 luokiteltua supernovarekisteriä ja muita väliaikaisia tapahtumia. "SEDm on vastuussa lähes puolesta kaikista maailmassa löydetyistä supernovista", huomauttaa Mickaël Rigault.
Kaksi vuotta sitten Christopher Fremling teki yhteistyötä koneoppimisen asiantuntijoiden kanssa Caltechissa kouluttaakseen tietokoneita lukemaan SEDm:n spektritietoja, luokittelemaan supernovia ja siirtämään tulokset automaattisesti Transient Name Serveriin muutama minuutti havaintojen jälkeen. Vuonna 2023 Northwestern yliopiston tohtoriopiskelija Nabeel Rehemtulla laajensi koneoppimisen käyttöä koko havaintokierrokselle. Hän kehitti BTSbot-järjestelmän, jota käytetään tällä hetkellä ZTF:ssä supernovien löytämiseen, luokitteluun ja raportointiin ilman ihmisen väliintuloa.
"Siitä lähtien kun BTSbot aloitti toimintansa, se on löytänyt noin puolet ZTF:n kirkkaimmista supernovista ennen ihmistä. Joidenkin supernovatyyppien osalta olemme automatisoineet koko prosessin, ja BTSbot on tähän mennessä saavuttanut erinomaisia tuloksia yli sadassa tapauksessa. Tämä on supernovien tutkimuksen tulevaisuus, erityisesti kun Vera Rubin -observatorio aloittaa toimintansa", lisää Nabeel Rehemtulla.
Vera Rubin -observatorioa rakennetaan parhaillaan Chilessä, ja valmistuttuaan se tulee olemaan paljon herkempi kuin ZTF, mikä mahdollistaa miljoonien supernovien löytämisen. "ZTF:lle kehittämämme koneoppimis- ja tekoälytyökalut tulevat olemaan keskeisiä, kun Vera Rubin -observatorio alkaa toimia", selittää Daniel Perley, astronomi Liverpoolin John Moores -yliopistosta, joka on kehittänyt BTS:n etsintä- ja löytömenettelyt ja hallinnoi tutkimuksen julkista tietokantaa. "ZTF:ssä tekemämme työn tulokset ja siellä kehittämämme työkalut ovat arvokkaita Rubin löytämien miljoonien supernovien tutkimuksessa", lisää Mickaël Rigault.
Lisärahoituksen ansiosta, joka on 1,6 miljoonaa dollaria Yhdysvaltain kansallisen tiedesäätiön (NSF) kautta, ZTF jatkaa yötaivaan tarkkailua seuraavien kahden vuoden aikana.
"Vuonna 2025 ja 2026 ZTF ja Vera Rubin voivat toimia yhdessä, mikä on fantastinen uutinen", sanoo Mansi Kasliwal, astronomian professori Caltechissa, joka johtaa ZTF:ää seuraavien kahden vuoden ajan. Yhdistämällä kahden observatorion tiedot astronomit voivat suoraan käsitellä supernovien räjähdyksen taustalla olevaa fysiikkaa ja löytää ZTF:lle tai Rubinille yksinään saavuttamattomia nopeita ja nuoria väliaikaisia tapahtumia. "Olen erittäin innoissani tulevaisuudesta", päättää Mansi Kasliwal.