(Links) eine Simulation, wie das Universum für das Rubin-Observatorium aussehen wird (Rechts) eine Simulation, wie der Kosmos für das römische Weltraumteleskop aussehen wird (Bildnachweis: J. Chiang (SLAC), C. Hirata (OSU) und Goddard Space Flight Center der NASA)
Wissenschaftler haben mit Hilfe von Supercomputern ein „synthetisches Universum“ geschaffen, mit dessen Hilfe vorhergesagt werden kann, was die nächste Generation von Super-Teleskopen sehen wird, wenn sie ihre Augen zum Kosmos öffnen.
Diese Teleskope werden beide Detektive des „dunklen Universums“ sein, da sie die beiden drängendsten Rätsel der Kosmologie untersuchen werden: die dunkle Energie und die dunkle Materie, die manchmal gemeinsam als „dunkles Universum“ bezeichnet werden. Die Nachricht kommt zu einem Zeitpunkt, an dem das 10 Milliarden Dollar teure James Webb Space Telescope (JWST) heute, am 12. Juli, zwei Jahre lang wissenschaftliche Ergebnisse liefert. Das JWST hat einen immensen Einfluss auf die Astronomie gehabt, und die Forscher arbeiten immer noch daran, einige der überraschenden Dinge zu verstehen, die es gesehen hat.
Der neu geschaffene synthetische Kosmos sollte den Wissenschaftlern helfen, zumindest einige der Überraschungsmomente zu vermeiden, wenn das Nancy Grace Roman Space Telescope der NASA und das Vera C. Rubin Observatorium mit der Erforschung des Universums beginnen, obwohl diese Teleskope zweifellos noch einige unerwartete Überraschungen zu Tage fördern werden.
Dieses simulierte Universum wurde mit dem Theta-Supercomputer des Argonne National Laboratory in Illinois im Rahmen eines größeren Projekts namens OpenUniverse erstellt.
Der nachgeahmte Kosmos besteht aus fast 4 Millionen simulierten Bildern, die das Universum so darstellen, wie es Roman erscheinen sollte, der 2027 starten soll, und dem erdgebundenen Rubin, der derzeit auf dem Gipfel des Cerro Pachón, einem Berg im Norden Chiles, gebaut wird.
„Mit Hilfe der inzwischen stillgelegten Theta-Maschine von Argonne haben wir in etwa neun Tagen geschafft, was auf einem Laptop etwa 300 Jahre gedauert hätte“, sagte Katrin Heitmann, stellvertretende Direktorin der Abteilung Hochenergiephysik von Argonne, die die Supercomputerzeit des Projekts verwaltete, in einer Erklärung. „Die Ergebnisse werden die zukünftigen Versuche von Roman und Rubin, dunkle Materie und dunkle Energie zu erforschen, prägen und anderen Wissenschaftlern einen Vorgeschmack auf die Art von Dingen geben, die sie mit den Daten der Teleskope erforschen können.
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Erhellung des dunklen Universums
Obgleich es sich um sehr unterschiedliche Observatorien handelt, werden sowohl Roman, das etwa eine Million Meilen von der Erde entfernt ist, als auch Rubin, das sich in großer Höhe in der trockenen und klaren Atmosphäre Nordchiles befindet, das Geheimnis der dunklen Energie untersuchen.
„Dunkle Energie“ ist ein Platzhalter für die geheimnisvolle Kraft, die die immer schneller werdende Ausdehnung des Kosmos antreibt; die Natur dieser Ausdehnung bleibt selbst ein Rätsel. Diese Substanz hat sich für Wissenschaftler als beunruhigend erwiesen, da die dunkle Energie das Universum dominiert und etwa 68 % bis 70 % des gesamten Materie-Energie-Budgets des Kosmos ausmacht.
Die OpenUniverse-Simulation könnte Wissenschaftlern helfen, die Signaturen der dunklen Energie besser zu verstehen, die sie sehen werden, wenn Roman und Rubin mit der Lieferung von Bildern beginnen. Dies könnte bedeuten, dass selbst schwache Fingerabdrücke der dunklen Energie sofort wichtige wissenschaftliche Ergebnisse liefern könnten.
„OpenUniverse ermöglicht es uns, unsere Erwartungen an das, was wir mit diesen Teleskopen entdecken können, zu kalibrieren“, sagte Jim Chiang, ein Wissenschaftler am National Accelerator Laboratory, der an der Erstellung der Simulationen mitgewirkt hat, in der Erklärung. „Es gibt uns die Möglichkeit, unsere Verarbeitungspipelines zu üben, unsere Analysecodes besser zu verstehen und die Ergebnisse genau zu interpretieren, so dass wir uns darauf vorbereiten können, die echten Daten sofort zu nutzen, sobald sie eintreffen.“
Ein simuliertes Bild aus dem OpenUniverse-Projekt zeigt, was das Roman-Weltraumteleskop sehen wird, wenn es sein Auge für den Kosmos öffnet (Bildnachweis: C. Hirata und K. Cao (OSU) und Goddard Space Flight Center der NASA)
Roman und Rubin werden auch einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der dunklen Materie leisten, die etwa 26 % der verbleibenden Materie und Energie im Kosmos ausmacht. Diese Mission wird für Rubin besonders poetisch sein, denn sie ist nach Vera Rubin benannt, der amerikanischen Astronomin, die das Vorhandensein dunkler Materie in Galaxien nachgewiesen hat.
Dunkle Materie ist problematisch, weil sie weder mit Licht noch mit gewöhnlicher Materie wechselwirkt – oder, falls doch, sind diese Wechselwirkungen so schwach und selten, dass wir sie nicht nachweisen können. Das bedeutet, dass dunkle Materie nicht wie gewöhnliche Materie aus Elektronen, Protonen und Neutronen zusammengesetzt sein kann. Das liegt daran, dass gewöhnliche Materie sehr wohl mit Licht und mit sich selbst wechselwirkt.
Astronomen können das Vorhandensein dunkler Materie nur aus ihrer Wechselwirkung mit der Schwerkraft ableiten, die ihrerseits die gewöhnliche Materie und den Durchgang des Lichts beeinflusst.
Rubin und Roman – benannt nach Nancy Grace Roman, der ersten wissenschaftlichen Leiterin der NASA, die liebevoll als „Mutter von Hubble“ bezeichnet wird und sich für den Bau leistungsstarker Weltraumteleskope eingesetzt hat – werden nach diesen Effekten suchen.
Diese Untersuchung des dunklen Universums, die von Rubin und Roman durchgeführt werden soll, wird keine leichte Aufgabe sein. Rubin, das 2025 in Betrieb gehen soll, wird sich auf die größte jemals gebaute Digitalkamera stützen, um das dunkle Universum zu erforschen, während Roman einen viel breiteren Blick auf den Kosmos bieten wird, als es das Hubble Space Telescope oder das JWST können.
Selbst die Simulation dessen, was diese Teleskope sehen würden, war eine komplizierte Aufgabe, die eine riesige Menge an Rechenleistung erforderte. Das OpenUniverse-Team ist jedoch zuversichtlich, dass die Vorteile bald auf der Hand liegen werden.
„Wir haben phänomenale Fortschritte bei der Vereinfachung dieser Pipelines gemacht und sie nutzbar gemacht“, so Kiessling abschließend. „Jetzt wollen wir, dass die Leute anfangen, mit den Simulationen zu arbeiten, um zu sehen, welche Verbesserungen wir machen können, und sich darauf vorbereiten, die zukünftigen Daten so effektiv wie möglich zu nutzen.“
