Die Rekonstruktion des Universums

16. Februar 2016. Die BOSS-Himmelsdurchmusterung hat Rotverschiebungen von mehr als einer Million Galaxien gemessen und so ein dreidimensionales Bild von Lichtquellen unseres Universums erstellt. Ein Team von Astrophysikern hat auf dieser Datenbasis jetzt tausende Galaxien reproduziert. Sie konnten so Messunsicherheiten der Beobachtungen bestimmen. Erstmalig wurden dafür Galaxienpaare und Gruppen von drei Galaxien gleichermaßen in Einzelgalaxien separiert, so dass das kosmische Netz und insbesondere auch die leeren Regionen zwischen den Galaxien genauer definiert werden konnten. Dieses Vorgehen bildete die Grundlage für die nachfolgenden Berechnungen.
Die Rekonstruktion des Universums

Beobachtung und Simulation im Vergleich.

Die großräumige Verteilung von Galaxien verrät viel über den Ursprung und die zukünftige Entwicklung des Universums. Eine große Himmelsdurchmusterung, die sich mit der Galaxienverteilung im Universum beschäftigt ist der Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS), welcher wiederum Teil des größeren SDSS-III-Surveys (Sloan Digital Sky Survey) ist, und hochpräzise die Rotverschiebung von Galaxien misst. Bei der Analyse solcher Daten stellt sich stets eine grundlegende Frage: wenn wir annehmen, das Universum sei ein großes Experiment, wie kann es uns dann gelingen Messfehler in den Beobachtungen festzustellen?

Während reguläre Labor-Experimente mehrfach wiederholt werden können, kann das Universum nur in speziellen „Super-Computern“ nachgebildet, nicht aber wiederholt werden. Berücksichtigt werden müssen dabei auch statistische Effekte wie sie sich durch die kosmische Varianz ergeben, welche ihren Ursprung in den primordialen Fluktuationen, also Dichte-Variationen im frühen Universum haben. Um eine so großräumige Struktur wie in den von BOSS erfassten Daten nachzubilden, bedarf es Millionen von Rechenstunden.

Francisco Kitaura vom Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) erklärt: „Wir haben die notwendigen Methoden entwickelt um Tausende simulierte Galaxienkataloge zu generieren. So war es uns möglich, die statistischen Eigenschaften der Beobachtungsdaten zu reproduzieren.“

Die Erstellung der Kataloge umfasst drei Schritte: Zunächst wurden Dunkle Materie Felder aus verschiedenen Anfangsbedingungen für unterschiedliche kosmische Zeitabschnitte erstellt. Danach wurden die Galaxien nach stochastischen Methoden, die mit statistischen Werten der Beobachtung übereinstimmen, verteilt. Schließlich sind die jeweiligen Massen für die Galaxien in Abhängigkeit zu ihrer Umgebung errechnet worden. Für die Erstellung der Kataloge haben die Astrophysiker dann unterschiedliche kosmische Zeitabschnitte zusammengesetzt, die die Beobachtungsbedingungen des BOSS-Surveys, wie den Aufbau der Durchmusterung und die Galaxiendichte in verschiedenen Entfernungen und für unterschiedliche kosmische Zeiten, berücksichtigt.

Chia-Hsun Chuang ebenfalls vom AIP ergänzt: „Dieser neue Ansatz erlaubt es uns die Fehlerwerte der kosmologischen Parameter zuverlässig aus den Daten herauszufiltern.“

„Der MareNostrum Supercomputer des Barcelona Supercomputing Center (BSC) hat hier die größte Zahl von synthetischen Galaxienkatalogen mit einem mehr als zehn Mal größeren Volumen als alle bisherigen Simulationen zusammen erstellt", berichtet Gustavo Yepes von der Autonomous University of Madrid (UAM).

Durch den Vergleich der analysierten Daten mit den errechneten Modellen gewinnen die Astronomen neue Erkenntnisse: „Wir verstehen jetzt viel besser, wie die Verteilung der Galaxien mit der Verteilung der Dunklen Materie im Universum zusammenhängt. Jetzt werden wir daran arbeiten unsere Methoden weiter zu optimieren, um die Strukturen, die wir im Universum beobachten, noch besser zu verstehen,“ so Kitaura.

Publikation: Kitaura, Francisco-Shu et al. 2016: The clustering of galaxies in the SDSS-III Baryon Oscillation Spectroscopic Survey: mock galaxy catalogues for the BOSS Final Data Release, in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Vol. 456; http://mnras.oxfordjournals.org/content/456/4/4156

Bildbeschreibung: Bildliche Darstellung der Beobachtungsdaten der zwölften BOSS-Datenveröffentlichung (linke obere Hälfte) und der gegenübergestellten Simulationsberechnungen (rechte untere Hälfte). Credit: F. Kitaura & S. Rodriguez-Torres

 

Wissenschaftlicher Kontakt: Dr. Francisco-Shu Kitaura, fkitaura@aip.de

Pressekontakt: Dr. Janine Fohlmeister, presse@aip.de, 0331-7499 382

 

Das Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) widmet sich astrophysikalischen Fragen, die von der Untersuchung unserer Sonne bis zur Entwicklung des Kosmos reichen. Forschungsschwerpunkte sind dabei kosmische Magnetfelder und extragalaktische Astrophysik sowie die Entwicklung von Forschungstechnologien in den Bereichen Spektroskopie, robotische Teleskope und E-Science. Seinen Forschungsauftrag führt das AIP im Rahmen zahlreicher nationaler, europäischer und internationaler Kooperationen aus. Das Institut ist Nachfolger der 1700 gegründeten Berliner Sternwarte und des 1874 gegründeten Astrophysikalischen Observatoriums Potsdam, das sich als erstes Institut weltweit ausdrücklich der Astrophysik widmete. Seit 1992 ist das AIP Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft.