Blog

Eine Simulation der dunklen Energie im Universum unter Verwendung von KI (Bildnachweis: Niall Jeffrey (UCL Physics & Astronomy)/et al)

Während sich die Menschen bemühen, die dunkle Energie zu verstehen, die geheimnisvolle Kraft, die die beschleunigte Expansion des Universums antreibt, haben Wissenschaftler begonnen, sich etwas ziemlich Futuristisches zu fragen. Können Computer es besser machen? Nun, die ersten Ergebnisse eines Teams, das Techniken der künstlichen Intelligenz (KI) eingesetzt hat, um den Einfluss der dunklen Energie mit unübertroffener Präzision zu bestimmen, könnten eine Antwort darauf geben: Ja.

Das Team unter der Leitung des Wissenschaftlers Niall Jeffrey vom University College London arbeitete mit der Dark Energy Survey Collaboration zusammen, um anhand von Messungen der sichtbaren Materie und der dunklen Materie eine Supercomputersimulation des Universums zu erstellen. Während die dunkle Energie dazu beiträgt, dass sich das Universum in alle Richtungen ausdehnt, ist die dunkle Materie eine mysteriöse Form der Materie, die unsichtbar bleibt, weil sie nicht mit Licht interagiert.

Nach der Erstellung der kosmischen Simulation hat das Team dann mithilfe von KI eine präzise Karte des Universums erstellt, die die letzten sieben Milliarden Jahre abdeckt und die Wirkung der dunklen Energie zeigt. Die daraus resultierenden Daten des Teams repräsentieren unglaubliche 100 Millionen Galaxien, die sich über etwa 25 % des Himmels der südlichen Hemisphäre der Erde erstrecken. Ohne künstliche Intelligenz wären für die Erstellung einer solchen Karte mit diesen Daten, die die ersten drei Jahre der Beobachtungen des Dark Energy Survey repräsentieren, weitaus mehr Beobachtungen erforderlich gewesen. Die Ergebnisse tragen dazu bei, zu überprüfen, welche Modelle der kosmischen Entwicklung in Verbindung mit der Dynamik der Dunklen Energie realisierbar sind, während andere Modelle, die dies möglicherweise nicht sind, ausgeschlossen werden.

„Verglichen mit der Verwendung altmodischer Methoden, um aus diesen Datenkarten etwas über die dunkle Energie zu lernen, konnten wir mit diesem KI-Ansatz unsere Genauigkeit bei der Messung der dunklen Energie verdoppeln“, sagte Jeffrey gegenüber kosmischeweiten.de. „Mit der Standardmethode würde man viermal so viele Daten benötigen.

„Wenn man dieses Maß an Präzision und Verständnis der dunklen Energie ohne KI erreichen wollte“, fügte Jeffrey hinzu, „müsste man die gleichen Daten noch dreimal in verschiedenen Bereichen des Himmels sammeln. Das entspräche einer Kartierung von weiteren 300 Millionen Galaxien.“

Das Problem mit der dunklen Energie

Die dunkle Energie ist eine Art Platzhalter für die mysteriöse Kraft, die die Expansion des Universums beschleunigt und entfernte Galaxien mit der Zeit immer schneller von der Milchstraße und voneinander wegschiebt.

Die gegenwärtige Periode der „kosmischen Inflation“ unterscheidet sich von der Periode, die auf die Geburt des Universums nach dem Urknall folgte; sie scheint eingesetzt zu haben, nachdem die anfängliche Expansion zum Stillstand gekommen war.

Stellen Sie sich vor, Sie geben einem Kind einen einzigen Stoß auf einer Schaukel. Die Schaukel verlangsamt sich, nachdem diese anfängliche Kraft zugenommen hat, aber anstatt zum Stillstand zu kommen, ohne dass Sie erneut schieben, setzt sich die Schaukel plötzlich wieder in Bewegung. Das wäre an sich schon ziemlich seltsam, aber es geht noch weiter. Die Schaukel würde nach der plötzlichen Wiederaufnahme der Bewegung auch zu beschleunigen beginnen und immer größere Höhen und Geschwindigkeiten erreichen. Das ist vergleichbar mit den Vorgängen im Weltraum, wo das Universum anstelle einer sich hin und her bewegenden Schaukel nach außen blubbert.

Sie wären wahrscheinlich sehr begierig zu verstehen, was diesen zusätzlichen „Schub“ und die Beschleunigung verursacht hat. Wissenschaftler denken genauso über die dunkle Energie und wie sie einen zusätzlichen kosmischen Druck auf die Struktur des Raums ausgeübt zu haben scheint.

Dieser Wunsch wird durch die Tatsache verstärkt, dass die dunkle Energie etwa 70 % des Energie- und Materiehaushalts des Universums ausmacht, obwohl wir nicht wissen, was sie ist. Rechnet man die dunkle Materie hinzu, die 25 % dieses Budgets ausmacht und nicht aus den uns bekannten Atomen bestehen kann, aus denen Sterne, Planeten, Monde, Neutronensterne, unsere Körper und die Katze von nebenan bestehen, haben wir nur einen sichtbaren Zugang zu etwa 5 % des gesamten Universums.

„Wir verstehen nicht wirklich, was dunkle Energie ist; es ist eines dieser seltsamen Dinge. Es ist nur ein Wort, das wir verwenden, um eine Art zusätzlicher Kraft im Universum zu beschreiben, die alles voneinander wegdrückt, während sich die Expansion des Universums weiter beschleunigt“, sagte Jeffery. „Der Dark Energy Survey versucht zu verstehen, was dunkle Energie ist. Wir versuchen vor allem, die Frage zu stellen: Ist sie eine kosmologische Konstante?“

Diese Grafik zeigt eine Zeitachse des Universums auf der Grundlage der Urknalltheorie und der Inflationsmodelle. (Bildnachweis: NASA / WMAP Science Team)

Die kosmologische Konstante, dargestellt durch den griechischen Buchstaben Lambda, hat für Kosmologen eine lange Geschichte. Albert Einstein führte sie erstmals ein, um sicherzustellen, dass die Gleichungen seiner revolutionären Gravitationstheorie von 1915, der allgemeinen Relativitätstheorie, ein so genanntes „statisches Universum“ unterstützen.

Dieses Konzept wurde jedoch in Frage gestellt, als Beobachtungen entfernter Galaxien durch Edwin Hubble zeigten, dass sich das Universum ausdehnt und somit nicht statisch ist. Einstein warf die kosmologische Konstante in den wissenschaftlichen Mülleimer und bezeichnete sie angeblich als seinen „größten Fehler“.

Im Jahr 1998 jedoch beobachteten zwei verschiedene Astronomenteams weit entfernte Supernovae und entdeckten, dass sich das Universum nicht nur ausdehnte, sondern sich auch noch zu beschleunigen schien. Die dunkle Energie wurde als Erklärung für die Kraft hinter dieser Beschleunigung erfunden, und die kosmologische Konstante wurde aus dem hypothetischen Mülleimer gefischt.

Die kosmologische Konstante Lambda stellt die Hintergrund-Vakuumenergie des Universums dar und wirkt fast wie eine „Antischwerkraft“, die die Expansion des Universums vorantreibt. Derzeit ist die kosmologische Konstante der wichtigste Beweis für die dunkle Energie.

„Unsere Ergebnisse sind im Vergleich zur Verwendung von Standardmethoden mit der gleichen Karte der dunklen Materie sehr genau, und wir haben festgestellt, dass dies immer noch mit der dunklen Energie übereinstimmt, die durch eine kosmologische Konstante erklärt wird“, sagte Jeffrey. „Mit diesem Ergebnis haben wir also einige physikalische Modelle der dunklen Energie ausgeschlossen.“

Das bedeutet jedoch nicht, dass die Rätsel der dunklen Energie – oder die Kopfschmerzen, die die kosmologische Konstante darstellt – gelindert sind.

‚Die schlechteste Vorhersage in der Geschichte der Physik‘

Die kosmologische Konstante stellt für die Wissenschaftler immer noch ein großes Problem dar.

Das liegt daran, dass Beobachtungen von weit entfernten, sich entfernenden Himmelsobjekten auf einen Lambda-Wert hindeuten, der 120 Größenordnungen (10 gefolgt von 119 Nullen) kleiner ist als das, was die Quantenphysik vorhersagt. Nicht umsonst wurde die kosmologische Konstante von einigen Wissenschaftlern als „die schlechteste theoretische Vorhersage in der Geschichte der Physik“ bezeichnet.

Jeffrey ist sich im Klaren: So sehr sich das Team auch über diese Ergebnisse freut, kann diese Forschung die massive Kluft zwischen Theorie und Beobachtung noch nicht erklären.

„Diese Diskrepanz ist einfach zu groß, und sie sagt uns, dass unsere quantenmechanische Theorie falsch ist“, fuhr er fort. „Was uns diese Ergebnisse sagen können, ist, welche Art von Gleichungen oder welche Art von physikalischen Modellen die Art und Weise beschreiben, wie sich unser Universum ausdehnt und wie die Schwerkraft funktioniert, die alles, was aus Materie besteht, im Universum zusammenzieht.“

Auch wenn die Ergebnisse des Teams darauf hindeuten, dass die allgemeine Relativitätstheorie das richtige Rezept für die Schwerkraft ist, können sie andere mögliche Schwerkraftmodelle nicht ausschließen, die die beobachteten Effekte der dunklen Energie erklären könnten.

„Auf den ersten Blick stimmen diese Ergebnisse mit der allgemeinen Relativitätstheorie überein – aber es gibt noch viel Spielraum, weil auch andere Theorien über die Funktionsweise der dunklen Energie oder der Gravitation möglich sind“, sagte Jeffrey.

Die vom Euclid-Teleskop gesichtete Spiralgalaxie IC 342 könnte große Auswirkungen auf unser Verständnis der dunklen Energie haben. (Bildnachweis: ESA)

Diese Forschung zeigt den Nutzen des Einsatzes von KI zur Bewertung simulierter Modelle des Universums, zur Erkennung wichtiger Muster, die Menschen möglicherweise übersehen, und somit zur Suche nach wichtigen Hinweisen auf dunkle Energie.

„Mit diesen Techniken können wir Ergebnisse erzielen, als hätten wir diese Daten noch dreimal erhalten – das ist ziemlich erstaunlich“, sagte Jeffrey.

Der UCL-Forscher weist darauf hin, dass für die Durchführung dieser Studien eine sehr spezielle Form der KI erforderlich ist, die gut darin geschult ist, Muster im Universum zu erkennen. Kosmologen werden ihre KI-Systeme nicht einfach mit Universumssimulationen füttern können, so wie man Fragen in ChatGPT eingeben und Ergebnisse erwarten kann.

„Das Problem mit ChatGPT ist, dass es, wenn es etwas nicht weiß, es einfach erfindet“, sagte er. „Was wir wissen wollen, ist, wann wir etwas wissen und wann wir etwas nicht wissen. Ich denke also, dass noch viel Wachstum nötig ist, damit Menschen, die an einer Arbeit interessiert sind, die Wissenschaft und KI kombiniert, verlässliche Ergebnisse erhalten können.“

Weitere sechs Jahre an Daten aus dem Dark Energy Survey stehen noch aus, die zusammen mit den Beobachtungen des im Juli 2023 gestarteten Euclid-Teleskops viel mehr Informationen über die großräumigen Strukturen des Universums liefern dürften. Dies sollte den Wissenschaftlern dabei helfen, ihre kosmologischen Modelle zu verfeinern und noch präzisere Simulationen des Universums zu erstellen, was sie schließlich zu Antworten auf das Rätsel der dunklen Energie führen könnte.

„Es bedeutet, dass die simulierten Universen, die wir erzeugen, so realistisch sind; in gewissem Sinne können sie realistischer sein als das, was wir mit unseren altmodischen Methoden machen konnten“, schloss Jeffrey. „Es geht nicht nur um Präzision, sondern auch darum, an diese Ergebnisse zu glauben und sie für zuverlässig zu halten.“

Die Forschungsarbeit des Teams ist als Vorabdruck auf dem Paper Repository arXiv verfügbar.