Sag mir, wo die Sternlein stehen

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 sich genauer definieren ließen. Dieses Vorgehen bildete die Grundlage für die nachfolgenden Berechnungen.

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 man reguläre Labor-Experimente mehrfach wiederholen können, lässt sich das Universum nur in speziellen „Super­computern“ nachbilden, nicht aber wiederholen. Berücksichtigt werden müssen dabei auch statistische Effekte, wie sie sich durch die kosmische Varianz ergeben, welche ihren Ursprung in den primordialen Fluktuationen – den 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 haben die Forscher die jeweiligen Massen für die Galaxien in Abhängigkeit zu ihrer Umgebung errechnet. 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.

AIP / DE