Ein diagrammartiges Bild, das stellare Hüllen und Gezeitenströme in Halos naher Galaxien darstellt.(Bildnachweis: Martinez, Delgado et al.)
Verborgene Informationen in Karten von Galaxien, die über das ganze Universum verteilt sind, könnten bald ans Licht kommen, dank einer neuen Art der Datenabfrage, die die dreidimensionale Natur dieser Karten bewahrt.
Die verborgenen Informationen könnten entscheidend dafür sein, ob das Standardmodell der Kosmologie korrekt ist oder ob es Abweichungen davon gibt, die unser Verständnis des „dunklen Universums“, das aus dunkler Materie und dunkler Energie besteht, beeinflussen könnten.
Die von dem Astronomen Minh Nguyen von der Universität Tokio geleitete Forschung nutzt leistungsstarke Computeralgorithmen, die in der Lage sind, die relativen Positionen von Galaxien in einer 3D-Karte des Universums mit detaillierten Simulationen zu vergleichen, die das Wachstum und das Verhalten von Galaxien und Halos aus dunkler Materie darstellen.
Früher führten Astronomen Galaxiendurchmusterungen durch, indem sie Bilder aus der Tiefe des Weltraums auf Fotoplatten aufnahmen und dann direkt auf den Platten die räumliche Verteilung der Galaxien in zwei Dimensionen maßen. Sie versuchten, Fragen wie „Wie nahe sind diese Galaxien an ihren Nachbarn?“ und „Wie gut sind sie zueinander ausgerichtet?“ zu beantworten.
In der heutigen Zeit können diese Untersuchungen um eine dritte Dimension erweitert werden. Dies ist der Multi-Objekt-Spektroskopie zu verdanken, die die Rotverschiebung dieser Galaxien und damit die Entfernung zu ihnen in einem expandierenden Universum in einem beobachteten Raumvolumen misst. Mit solchen galaktischen Entfernungsmessungen ist es tatsächlich möglich, eine dreidimensionale Karte des Universums zu erstellen.
Die Rechenleistung, die für die statistische Analyse dieser dreidimensionalen Galaxiendaten erforderlich ist, ist jedoch enorm. Aus Gründen der Effizienz wurden die 3D-Daten daher traditionell in so genannte „n-Punkt-Korrelationsfunktionen“ komprimiert, wobei sich das „n“ auf eine Zahl bezieht (normalerweise zwei oder drei Datenpunkte, wie oben erwähnt).
Das ist in den meisten Fällen schön und gut, aber es gab auch den nagenden Verdacht, dass die Komprimierung und Analyse der Daten auf diese Weise dazu führt, dass Informationen übersehen – oder versteckt – werden. Und nun hat Nguyens Team mit Hilfe einer Technik namens „field-level inference“ (FLI) in Kombination mit einer Reihe von Algorithmen in einem Rahmenwerk namens „LEFTfield“, das das Wachstum und die Clusterbildung von Galaxien vom frühen Universum bis heute modelliert, gezeigt, dass durch die Kompression tatsächlich wichtige Informationen unterdrückt werden. Für dieses Ergebnis wurde das Team mit dem dritten Platz des Buchalter Cosmology Prize ausgezeichnet.
„Bei der Inferenz auf Feldebene arbeiten wir direkt mit einer 3D-Karte der Galaxien“, sagt Nguyen gegenüber kosmischeweiten.de. Die Karte wird auf dem Computer durch Voxel dargestellt, die wie dreidimensionale Pixel in einem Gitter sind. Das FLI stellt dann in diesem Voxel-Gitter dar, wie es die 3D-Struktur der Galaxien und der zugrunde liegenden dunklen Materie nach dem Standardmodell der Kosmologie (das beschreibt, wie sich die großräumige Struktur im Universum unter dem Einfluss von dunkler Materie und dunkler Energie entwickelt) vorhersagen sollte.
Auf der linken Seite sind Zwei- und Dreipunkt-Korrelationsfunktionen dargestellt. Rechts analysiert das FLI die gesamte Information im Galaxienfeld. (Bildnachweis: MPA)
„Mit Hilfe leistungsfähiger Computeralgorithmen zielt FLI darauf ab, diese Vorhersagen mit der beobachteten Galaxienposition an jedem Punkt des 3D-Gitters abzugleichen“, so Nguyen.
N-Punkt-Funktionen sind beliebt, weil sie die Verarbeitungszeit verkürzen und effizienter sind, aber die heutigen Algorithmen sind ausgefeilt genug, um die Lücke zu schließen und die Analyse der vollständigen, unkomprimierten Daten zu ermöglichen.
„Glücklicherweise gibt es moderne Computeralgorithmen, die die Erkundung oder das Sampling dieses riesigen Parameterraums beschleunigen können“, so Nguyen.
Nguyen und seine Kollegen – Fabian Schmidt, Beatriz Tucci, Martin Reinecke und Andrija Kostić vom Max-Planck-Institut für Astrophysik in Deutschland – testeten FLI zunächst an simulierten Karten von Halos aus dunkler Materie, d. h. riesigen Wolken aus dunkler Materie, die Galaxien und Galaxienhaufen umgeben. Man kann sich die Halos als das Gerüst vorstellen, in dem sich die sichtbare Materie zu Galaxien zusammensetzt. Kürzlich haben Nguyen und Schmidt im Rahmen der „Beyond Two-Point Collaboration“ FLI auch auf simulierte Galaxien angewandt, und die Ergebnisse werden demnächst in der Supplementreihe des Astrophysical Journal veröffentlicht.
Ihre Ergebnisse zeigen, dass die FLI-Analyse im Vergleich zu Zwei- und Dreipunkt-Korrelationsfunktionen eine drei- bis fünffache Verbesserung der Detailgenauigkeit aufweist. Diese zusätzliche Detailgenauigkeit deutet darauf hin, dass es Informationen gibt, die in der alten Vorgehensweise verborgen sind.
Und was kann uns diese bisher verborgene Information sagen? Großräumige Strukturen im Universum – die großen Ketten von Galaxienhaufen, die den Kosmos umspannen – lassen sich auf die Quantenfluktuationen im Urknall zurückführen, die zu Überdichten führten, die unter der Schwerkraft zu Galaxien anwuchsen. Das FLI könnte Asymmetrien in diesen Fluktuationen aufdecken, die in Form der Verteilung von Galaxien in der Zeit eingefroren wurden, oder wie Anomalien in der Gravitationsentwicklung von Galaxien im jüngeren Universum Details über die dunkle Materie oder sogar die Gravitation selbst offenbaren könnten.
„Indem wir Zugang zu dem gesamten zugrundeliegenden Feld der dunklen Materie haben, das mit dem beobachteten Galaxienfeld verbunden ist, könnten wir empfindlicher gegenüber lokalen Effekten sein“, so Nguyen. „Solche lokalen Effekte werden bei Analysen, die n-Punkt-Funktionen verwenden, im Durchschnitt vernachlässigt.“
Der nächste Schritt besteht darin, FLI mit realen Daten des Dark Energy Spectroscopic Instrument am Kitt Peak National Observatory, des Subaru Prime Focus Spectrograph und der Euclid-Mission der Europäischen Weltraumorganisation zu testen, sowie in Zukunft mit dem Vera C. Rubin Observatory, das noch in diesem Jahr in Chile das Licht der Welt erblicken soll, und dem Nancy Grace Roman Space Telescope, das 2027 starten soll. Alle werden Rotverschiebungsmessungen von Galaxien durchführen, um umfangreiche 3D-Karten der galaktischen Verteilung zu erstellen.
Wenn es um das dunkle Universum geht und darum, wie es sich auf das Wachstum von Galaxien in großräumigen Strukturen im gesamten Universum ausgewirkt hat, tappen wir noch immer weitgehend im Dunkeln. Aber mit dem FLI ist es möglich, die Verteilung der dunklen Materie in Verbindung mit den Galaxien auf der Karte zu beschreiben.
„Das ist ziemlich gut, wenn man bedenkt, dass wir die dunkle Materie nicht direkt beobachten können, und es ergänzt die Karten der dunklen Materie, die mit Hilfe von Gravitationslinsen erstellt wurden“, sagt Fabian Schmidt.
Bei der Kartierung von Galaxien geht es nicht nur darum, das Universum bildlich zu beschreiben, sondern sie könnte letztlich den Weg zu Erkenntnissen über die Ursprünge von allem, was wir im Kosmos sehen, weisen.
Die Forschungsarbeit wurde am 27. November 2024 in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.
