Il percorso dei dati scientifici di Euclid PDF

TECNOLOGIE AVANZATE E STRUMENTAZIONE Il percorso dei dati scientifici di Euclid di Paola Maria Battaglia, Fabio Pasian 40 e Andrea Zacchei 1 ...

TECNOLOGIE AVANZATE E STRUMENTAZIONE Il percorso dei dati scientifici di Euclid di Paola Maria Battaglia, Fabio Pasian 40 e Andrea Zacchei 1  Come si passa da semplici fettuerà la mappatura ad alta precisione del cielo nelle bande del visibile e del vicino in- bit ai dati scientifici della frarosso con lo scopo di misurare la struttura missione? Scopriamolo su larga scala dell’universo, e specificamen- te la forma e il redshift delle galassie oltre con una descrizione che la distribuzione degli ammassi di galas- dettagliata del segmento sie in funzione del loro redshift. Meno noto è il percorso che i dati scien- di terra scientifico della tifici seguono per trasformarsi da bit prove- missione Euclid e dei suoi nienti dall’elettronica dei due strumenti di due strumenti, Vis e Nisp. bordo (Vis, il Visible Instrument e Nisp, il Ne- ar-Infrared Spectrometer and Photometer) in risultati scientifici utilizzabili per gli scopi sopra descritti. Questo percorso coinvolge È diverse centinaia di persone con compe- tenze tecniche e scientifiche molto diverse, collocate in una trentina di sedi distribuite in quattro continenti, e forma il cosiddetto Seg- mento di Terra. I DUE STRUMENTI VIS E NISP Per sei anni Euclid osserverà circa un terzo del cielo dal secondo punto lagrangiano del sistema Terra-Sole, posto a una distanza di 1,5 milioni di chilometri dalla Terra, e racco- glierà la luce emessa da oltre due miliardi di galassie dopo un viaggio durato 10 miliardi di anni. La materia oscura e l’energia oscura, È noto che la missione Euclid è una missio- che insieme costituiscono il 95% circa dell’u- ne scientifica dell’Agenzia spaziale europea niverso, fanno avvertire la loro presenza in- (Esa) che ha come obiettivo quello di stu- direttamente, producendo immagini distorte diare l’origine dell’espansione dell’universo di galassie lontane, che ci appaiono così e altre tematiche cosmologiche di grande come anelli o archi evanescenti, e accele- rilevanza, come la natura dell’energia oscu- rando l’espansione dell’universo stesso. ra e della materia oscura e le condizioni ini- Il grande specchio che si trova nel tele- ziali che hanno portato alla formazione del- scopio a bordo di Euclid (di 1,2 metri di dia- di carico utile del telescopio spaziale Euclid. In alto Gli strumenti ottici e infrarossi integrati nel modulo le strutture cosmiche. La missione, lanciata metro) convoglia la luce raccolta nel piano si intravede la fotocamera a più di 600 megapixel. il primo luglio 2023, ha completato la fase focale, dove si trovano i due strumenti Vis di commissioning e nel mese di ottobre ha e Nisp. Il Vis è dotato di una fotocamera di intrapreso quella di performance verifica- quasi 600 megapixel sensibile principalmen- Crediti: Airbus Defence and Space, Toulouse tion (fase dedicata alla calibrazione sia degli te alla luce visibile, e verrà impiegato per strumenti sia del software di analisi, oltre che realizzare immagini ad altissima risoluzione all’identificazione di eventuali sistematiche delle galassie osservate, in modo da misura- strumentali), dopo che i problemi individua- re la loro forma. Nisp ha 16 sensori sensibili ti al sensore di guida fine (Fgs, dall’inglese alla luce infrarossa e con i suoi 66 megapixel Fine guidance sensor) sono stati risolti con è la più potente fotocamera a infrarossi a es- l’upload da terra di un nuovo software per il sere mai stata lanciata nello spazio. Essendo sensore stesso. Quando il satellite e la sua dotata di filtri e reticoli di diffrazione, potrà PAYLOAD strumentazione saranno pienamente opera- fare fotometria multibanda e spettroscopia, tivi da un punto di vista scientifico, Euclid ef- misurando così lo spostamento verso il ros- 2 Il lancio è un momento molto delicato, durante il quale Euclid ha ricevuto parecchie vibrazioni che sono potenzialmente in grado di produrre malfunzionamenti o spostamenti di parti mobili so della luce proveniente dalle galassie os- servate, e quindi la distanza. LA STORIA DAL LANCIO Dal 1 Luglio, giorno del lancio da Cape Cana- veral, abbiamo iniziato a seguire attraverso i vari canali di comunicazione la vita operati- va di Euclid. Dalle sale di controllo realizzate appositamente per il commissioning, ogni notte, per quasi quattro settimane consecu- tive, gli esperti del satellite e degli strumenti hanno aspettato l’acquisition of signal, ov- vero il momento in cui Euclid tornava a es- sere visibile dalla Terra. Da quel momento e fino al termine della visibilità, tutte le energie sono state dedicate all’analisi delle teleme- trie: lunghe, lunghissime serie di parametri che scorrono senza sosta sui monitor di con- Per vedere le prime immagini e i primi trollo e che raccontano a occhi allenati lo spettri si è dovuto attendere il giorno suc- stato di “salute” del satellite. cessivo, quando durante la visibilità di Eu- Il lancio è un momento molto delicato, clid, i dati sono stati scaricati dalle memorie durante il quale Euclid ha ricevuto parecchie di bordo. Qualche imprevisto, com’è norma- vibrazioni che sono potenzialmente in gra- le che sia, c’è stato: è apparso subito eviden- do di produrre malfunzionamenti o sposta- te ai colleghi dello strumento Vis che la loro menti di parti mobili. Anche se tali vibrazioni prima immagine era contaminata da luce vengono simulate in specifici test a terra, è che arrivava dall’esterno del telescopio. E la necessario verificare che quando gli stru- preoccupazione di tutti era legata al cattivo menti vengono accesi nuovamente in volo funzionamento del sensore di guida, che di Il modello di volo completamente assemblato dello tutto funzioni come atteso. Nel caso di Nisp, fatto impediva al telescopio di inseguire cor- strumento Nisp nella camera bianca dei laboratori ad esempio, una importante prima verifica è rettamente i soggetti inquadrati, restituendo stata quella legata alle ruote porta filtri e re- tante “belle” foto mosse. Crediti: Euclid Consortium/Nisp instrument team ticoli, per capire se si trovavano ancora nella Vediamo ora come avviene il trasferi- posizione di riferimento in cui erano state mento delle osservazioni a terra, e cosa suc- messe prima del lancio. Il momento tanto cede poi. atteso, tuttavia, è stata l’accensione del pia- OPERATIONS GROUND SEGMENT di astrofisica di Marsiglia. no focale. I rivelatori di Nisp hanno raccolto i primi fotoni provenienti dallo spazio il 14 Durante specifiche finestre temporali, tre luglio: nella sala di controllo l’emozione era stazioni di terra (Cebreros in Spagna, Malar- ASSEMBLAGGIO altissima e quando, ad accensione ultimata, güe in Argentina, New Norcia in Australia) le tante luci sui monitor erano tutte verdi, è leggono, utilizzando un canale di trasmissio- risultato evidente che Nisp aveva completa- ne a 26 GHz (K-band), i dati raccolti a bordo to con successo la sequenza di accensione. di Euclid nelle ventiquattro ore precedenti 3  dagli strumenti Vis e Nisp ma anche da Fgs tri di funzionamento per strumenti e sistemi e da tutti i sensori che monitorano lo stato accessori, l’upload di nuovo software (ad di satellite e strumenti (dati di telemetria). Le esempio quello recente per Fgs) e così via. stazioni di terra sono distribuite geografica- Il Moc si incarica infine di rendere disponi- mente in modo tale da massimizzare la visi- bile al Science Operations Centre (Soc) tutti bilità di Euclid; durante il periodo di launch i dati (scientifici e tecnici) acquisiti. La rete attentamente ancorato al modulo di servizio per ridurre qualsiasi tipo di and early operations phase sono state utiliz- delle stazioni di terra e il Moc formano l’Ope- nella sede italiana di Thales Alenia Space a Torino. Il carico viene zate stazioni di terra aggiuntive per garantire rations Ground Segment (Ogs), interamente Il team di ingegneri al lavoro sul modulo di carico utile di Euclid una copertura totale delle comunicazioni in di responsabilità Esa. tempo reale con il satellite. Dopo una verifica di completezza, i dati SCIENCE GROUND SEGMENT raccolti dalle stazioni di terra vengono spe- Dopo la fase di controllo dello stato di salu- diti al Mission Operations Centre (Moc) situa- te di Euclid e dei suoi strumenti, la fase suc- to presso Esoc, la sede di Esa a Darmstadt cessiva riguarda il lavoro sui dati scientifici, sollecitazione allo specchio del telescopio. in Germania. Qui i dati di telemetria vengono e si svolge all’interno del segmento di terra sottoposti a una serie di controlli che hanno scientifico (Science Ground Segment – Sgs). lo scopo di verificare la salute di satellite e L’Sgs è di responsabilità Esa per quanto ri- strumenti, in modo da poter intervenire tem- guarda il Soc, situato nell’European Space pestivamente per bloccare, se necessario, Astronomy Centre (Esac), la sede di Esa a NEI MINIMI DETTAGLI un sistema malfunzionante. Il Moc infatti è Villafranca del Castillo vicino a Madrid, in Crediti: Esa/S. Corvaja l’unico centro autorizzato a inviare i tele- Spagna, e di responsabilità del Consorzio comandi al satellite: la sequenza di sposta- Euclid (Ec) per quanto riguarda la rete dei menti e tempi di esposizione per poter far centri dati (Science Data Centres – Sdc) eseguire correttamente agli strumenti le dove si svolgeranno le attività di verifica, ela- esposizioni volute, la modifica dei parame- borazione e analisi vere e proprie. 43 4  Il Soc è la sola interfaccia dell’Sgs ver- so il Moc, e quindi verso le operazioni della missione. Una delle principali attività del Soc comprende perciò l’invio della survey pia- nificata dal Consorzio Euclid sotto la guida scientifica italiana e creata sulla base di un programma di osservazione dedicato; il Soc verifica la compatibilità con i vincoli imposti dalla dinamica della missione e fornisce al Moc le sequenze di esposizioni necessarie per osservare i vari campi e ottenere le ne- cessarie calibrazioni. Il Soc si occupa anche della gestione dei dati scaricati dal Moc e del- È di responsabilità dell’Inaf la gestione la loro verifica (per esempio mediante sistemi automatici e di quick look), generando rap- del Sdc italiano: tutto il lavoro di porti giornalieri sulla qualità dei dati; esegue integrazione del codice relativo alle inoltre la formattazione dei dati di telemetria e processing function assegnate all’Italia prepara quelli che, una volta immessi nell’ar- chivio, saranno a disposizione del Consorzio è stato svolto sotto il coordinamento Euclid. Il Soc inoltre gestisce l’archivio ufficia- di un team situato all’Osservatorio le dei dati della missione e gli Euclid Archive Core Services (Eacs), cioè il sistema che tie- Astronomico di Trieste ne traccia di tutti i passi di elaborazione svol- ti nei vari Sdc e che permette di recuperare ogni dato di Euclid, indipendentemente dalla sede fisica in cui si trova. Gli Sdc sono specializzati, nel senso che L’Instrument Operation Team (Iot), ele- codificano e integrano il codice dedicato a mento dell’Sgs a guida italiana, costituisce particolari analisi basandosi sul principio che l’interfaccia tecnica, relativamente agli stru- il software sviluppato può essere eseguito in menti, con il Soc. L’Iot, infatti, ha la respon- ogni Sdc indipendentemente dall’hardware sabilità di monitorare le performance degli sottostante e che soddisfi determinati requi- strumenti sul breve e lungo periodo (trend siti di qualità. Complessivamente, i dati uti- Il telescopio spaziale Euclid in camera anecoica, un ambiente analysis) e proporre, se necessario, modifi- lizzati per ottenere i risultati scientifici della di laboratorio strutturato in modo da ridurre il più possibile la che alla loro configurazione per ottimizzarne missione saranno oltre 50 Petabyte conte- i risultati. L’Iot è costituito da scienziati e tec- nuti in parecchi milioni di immagini. nici che conoscono i dettagli degli strumenti: È di responsabilità dell’Inaf la gestione molti di essi hanno partecipato alla loro co- del Science Data Centre italiano (Sdc-It): in struzione e test, e interagiscono con l’Sgs particolare, tutto il lavoro di integrazione del per la realizzazione di modelli da utilizzare codice relativo alle processing function asse- durante l’analisi dei dati. gnate all’Italia – quali Nip, Mer, Sir e parzial- riflessione di segnali sulle pareti. L’elaborazione e l’analisi dei dati, e la pro- mente il Le3 – è stato svolto sotto il coordi- duzione dei risultati scientifici della missione namento di un team situato all’Osservatorio LA VOCE DEL SILENZIO sono invece realizzati dal Consorzio Euclid Astronomico di Trieste dell’Inaf. Anche l’in- Crediti: Esa/M. Pedoussaut all’interno della parte dell’Sgs di propria re- dustria italiana dà un contributo importante sponsabilità (Ec-Sgs), composta da nove in questo campo: infatti la Altec di Torino ha Science Data Centres (Sdc) nazionali (situati realizzato e opera il Centro operativo scien- in Finlandia, Francia, Germania, Italia, Olanda, tifico di Sdc-It supportando la funzionalità e Regno Unito, Spagna, Svizzera e Stati Uniti) e la continuità del servizio di hosting dei dati e da altri contributi scientifici e tecnologici. del relativo calcolo scientifico. 5  45 6 7 PRONTI AL LANCIO Euclid viene incapsulato dalla carenatura SpaceX del Falcon 9. Alto 4,7 metri e con un diametro di 3,7 si adatta perfettamente alle forme del razzo. Crediti: SpaceX  LIFT OFF LA TRAVERSATA Primo luglio 2023: il telescopio spaziale Euclid decolla Euclid salpa dal porto di Savona verso gli Stati Uniti sul cielo di Cape Canaveral, in Florida, a bordo di uno e il porto vicino al sito di lancio a Cape Canaveral, SpaceX Falcon 9. in Florida. Crediti: SpaceX Crediti: Thales Alenia Space/ImagIn 8  Il coordinamento dell’intero Ec-Sgs è poi integrato all’interno dell’ambiente Sgs anch’esso di responsabilità dell’Inaf, e un dagli Sdc a ciò delegati, con il supporto del project office guidato dall’Ec-Sgs manager si System Team (Syst). Nel corso degli anni le occupa degli aspetti di management tecnico/ processing function (tramite Ou e Sdc) e il scientifico dell’Sgs, inclusi il controllo del pro- System Team hanno sviluppato molte deci- getto, il quality assurance, il coordinamento ne di migliaia di righe di codice ciascuno, dell’Iot e la definizione della schedula. per un totale di diverse centinaia di migliaia di righe di codice, e oltre 200 Fte (anni-per- L’ELABORAZIONE DEI DATI sona) di lavoro per anno. La figura sotto rappresenta la struttura dell’elaborazione dati nell’Sgs. Le immagini LA FASE DI VERIFICA di Euclid e quelle delle survey esterne ven- Per due mesi circa, durante la performan- gono elaborate in un primo momento dal- ce verification phase, si effettueranno delle le rispettive processing function (Vis, Nip, osservazioni speciali, il cui scopo è quello Ext), quindi Mer ne estrae un unico catalogo di preparare Euclid a fare scienza: i rive- omogeneo. Dalle immagini spettroscopiche latori dei due strumenti verranno verificati vengono ottenuti gli spettri (Nis), poi altre pi- nel loro funzionamento e calibrati. Gli Iot peline estraggono informazioni scientifiche confronteranno la loro risposta in volo con dai dati ridotti: i parametri ricavabili dagli quella vista durante i test a terra; si misure- spettri (Spe), lo shear relativo al fenomeno ranno caratteristiche fondamentali come il del lensing (She), le velocità radiali calcola- rumore causato da diverse sorgenti, la per- te fotometricamente (Phz). Il livello 3 dell’a- sistence, i dark, i flat field, ecc. Questi ultimi nalisi (Le3) si occupa di preparare i prodotti sono delle speciali immagini di calibrazione scientifici finali della missione. Tutti i dati, che hanno lo scopo di mappare le differen- intermedi e finali, vengono inseriti nell’ar- ze di sensibilità dei pixel del rivelatore e le chivio. Il software relativo alle varie proces- disomogeneità del piano focale, come ad sing function è stato sviluppato all’interno esempio la vignettatura, ovvero una perdita di team del Consorzio Euclid (Organisation di luce ai bordi. Units) che hanno definito e sviluppato (e Per chi è costantemente impegnato continuano a migliorare) gli algoritmi ne- nelle cosiddette operazioni di strumento, cessari. Questo software prototipale viene quello della fase di verifica è un momento Vis Spe Cl Sim Sir Struttura semplificata dell’elaborazione Courtesy Euclid Consortium/Esa/SGS Team Amas Le1 Nir Mer Phz Le2 Le3 dati nel Science Ground Segment: Wl Vm She ELABORAZIONE DATI spiegazioni nel testo. Ext Sdc Syst 9  Per due mesi circa, durante la di determinare al meglio la forma della Psf (point spread function) con tecniche basa- performance verification phase, te sull’acquisizione di immagini fuori fuoco. si effettueranno delle osservazioni Alla fine della Pdc inizierà finalmente la pri- ma fase di acquisizione scientifica chiamata speciali, il cui scopo è quello di early survey operations phase della durata preparare Euclid a fare scienza di circa quattro mesi. In questa fase l’Sgs inizierà a estrarre i prodotti scientifici utiliz- zando le calibrazioni determinate durante la di intensa attività in cui si calibrano gli stru- Pv e la Pdc. I risultati dell’analisi della Esop Il Near-Infrared Spectrometer and Photometer menti e si mettono a punto tutte le strategie saranno presentati a Esa alla data proces- necessarie per controllare che tutto funzio- sing readiness review nell’estate 2024, per di Euclid, misura la quantità di luce che le galassie emettono a ciascuna lunghezza ni a dovere nei prossimi sei anni. Il team di verificare se soddisfano i requisiti scientifici Crediti: Esa/Euclid/Euclid Consortium/Nasa ricercatori coinvolti è pronto ad affrontare della missione. Dopo la Esop, inizierà il pe- eventuali problemi che potranno insorgere riodo di osservazione nominale la cui dura- nella vita operativa degli strumenti. Questo ta prevista sarà di circa sei anni in cui l’Sgs periodo è molto importante, infatti, anche lavorerà a pieno regime. LO STRUMENTO NISP per provare tutte quelle procedure automa- Euclid rilascerà i dati alla comunità astro- tiche, e non, che sono state preparate nel nomica in periodi cadenzati: la prima relea- corso dei lunghi anni di sviluppo. Quando se, che comprenderà una piccola parte del- questo articolo uscirà, Euclid avrà già termi- le osservazioni, è prevista per l’inverno del d’onda. nato la fase di collaudo e avrà iniziato la sua 2024, ma la vera prima pubblicazione dei osservazione del cielo alla ricerca di tracce dati, che comprenderà circa un anno di os- di materia oscura ed energia oscura. servazioni, è prevista per la fine del 2025. Le successive release sono previste a inter- Spectrometer and Photometer di Euclid. IL FUTURO valli biennali fino al rilascio di tutti i sei anni Uno scatto di prova con esposizione di Il primo scatto di Nisp, il Near-Infrared Crediti: Esa/Euclid/Euclid Consortium/Nasa La fase di performance e verification si è di osservazioni. conclusa a fine novembre. I risultati acqui- Siamo certi che i risultati scientifici di Eu- siti in questa fase saranno presentati a Esa clid, a cui l’Italia partecipa massicciamente durante la mission commissioning readi- grazie ad Asi, Inaf, Infn e al contributo di ness review, con lo scopo di verificare se le molte università, ripagheranno gli anni di PROVA GENERALE performance strumentali reali sono in linea lavoro e l’impegno delle molte persone che con quelle previste. La PV sarà poi seguita hanno partecipato alla progettazione e alla 100 secondi. da un’altra fase di calibrazione detta Pdc realizzazione del segmento di terra della (phase diversity calibration), della durata missione, e che nei prossimi anni ne gesti- di circa due mesi, il cui scopo sarà quello ranno le operazioni. 49 10