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Dynaverse ist eine Kooperation zwischen der Universität zu Köln, der Universität Bonn, dem Max-Planck-Institut für Radioastronomie und weiteren Institutionen (Infokasten). Die beiden Universitäten arbeiten in der Astronomie bereits seit vielen Jahren eng zusammen, unter anderem im Rahmen von Sonderforschungsbereichen. Zu den gemeinsamen Projekten zählen zudem der Bau und Betrieb des Fred Young Submillimeter Telescope in Chile zusammen mit internationalen Partnern.

Die Forschung im ­Cluster fokussiert sich auf drei „Astro­physical Research Challenges“. Die erste beschäftigt sich mit der Zeitraffer-Astronomie, also mit Phänomenen im Universum, die auf so langen Zeitskalen stattfinden, dass sie sich nicht in Echtzeit verfolgen lassen. Dazu gehören die Galaxienentwicklung sowie die Stern- und Planeten­entstehung und der damit verbundene Transport von Staub und Gas über viele Skalen hinweg.

In der Zweiten geht es um die Zeitlupen-Astronomie, die sich auf kurzzeitige, also transiente Ereignisse wie Supernovae, Radioblitze oder die Verschmelzung von Schwarzen Löchern konzentriert. Diese meist sehr energie­reichen Phänomene können ganze Galaxien beeinflussen, was ­eine Verbindung zur ersten Research ­Challenge herstellt. Um Wechselwirkungen zwischen transienten Ereignissen und den Entwicklungen auf langen Zeitskalen genau zu verstehen, sind neben detaillierteren Beobachtungen auch umfangreiche ­Simulationen not­wendig, welche die unterschiedlichen Skalen miteinander koppeln.

Die dritte Research Challenge zielt auf „Cosmic Twists“ ab, also Wendepunkte in der Evolution des Kosmos, die einmalig auftreten und das gesamte Universum für immer verändern. Dazu zählen die kosmische Inflation, also die exponentielle Expansion des Universums direkt nach dem Urknall, die Phase der Reionisation kurz nach der Entstehung der ersten Sterne und Galaxien und der Zeitpunkt, seit dem die Dunkle Energie über die sichtbare und Dunkle Materie dominiert. (...)

Das kosmologische Standardmodell ist eine der gro­ßen­ Erfolgsgeschichten der modernen ­Physik. Wenn man annimmt, dass die Allgemeine Relativitäts­theo­rie gilt sowie statistische Isotropie und Homogenität vorliegen, beschreibt es unser Universum über viele Größenska­len hinweg konsistent. Diese reichen von der Entstehung der leichten Elemente nur Minuten nach dem Urknall über den kosmischen Mikrowellenhintergrund bis hin zur Ex­pansionshistorie, die sich zum Beispiel mit Supernovae und der statistischen Verteilung großskaliger Strukturen messen lässt. Immer neue Datensätze haben die Kosmologie in den letzten drei Jahrzehnten zu einer präzisen Wissenschaft weiterentwickelt, die viele alternative kosmologische Modelle ausschließen konnte. Die beobachtende Kosmologie überprüft die Komponenten des Standardmodells mittels neuer Daten und Methoden gründlich. Solche kosmologischen Tests nutzen häufig den Gravitationslinseneffekt, eine Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie [2]. 

Arthur Eddington konnte den Gravitationslinseneffekt 1919 erstmals während einer Sonnenfinsternis nachweisen und so die Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie bestätigen, dass die beobachtete Ablenkung etwa dem doppelten Wert der Newtonschen Abschätzung entsprechen sollte. Diesen Unterschied begründet die Allgemeine Relativitätstheorie mit einer räumlichen Krümmung zusätzlich zur zeitlichen. Sechzig Jahre später ließen sich Mehrfachbilder eines Quasars beobachten. (...)

Anfang der 1980er-Jahre griff vor allem Andreas Tamman diese Idee wieder auf und zeigte, dass sich dafür vor allem Supernovae vom Typ Ia eignen. Bei dieser wichtigen Unterkategorie handelt es sich um thermonukleare Explosionen von Weißen Zwergen, erloschenen Sternen mit etwa 1,4 Sonnenmassen, die kurzzeitig sogar eine ganze Galaxie überstrahlen können. Im Verlauf der Explosion ändert sich die Helligkeit der Supernovae natürlich sehr stark und innerhalb weniger Tage. Der Helligkeitsverlauf ist aber relativ homogen, sodass die Hoffnung bestand, dass sie immer dieselbe Leuchtkraft am Maximum ihrer Lichtkurve erreichen würden. Damit würden sich Entfernungen einfach aus der beobachteten Helligkeit ableiten. Diese Hoffnung zerschlug sich 1991 gründlich, als einige Typ-Ia-Supernovae mit sehr unterschiedlichen Leuchtkräften beobachtet wurden. Zwei Jahre später zeigte allerdings Mark Phillips, dass sich die Form der Lichtkurve eignet, um die Leuchtkraft zu normieren. Seitdem gelten Typ-Ia-Supernovae als beste kosmische „Zollstöcke“.

Zu dieser Zeit bestand die Hauptaufgabe der beobachtenden Kosmologie darin, den Wert der momentanen Expansionsrate des Universums und der Abbremsung aufgrund der Gravitationsanziehung der Materie zu bestimmen. Die Expansionsrate, also die Hubble-Konstante, muss im nahen Universum gemessen werden. Aufgrund der Abbremsung hat sich diese „Konstante“ als Funktion der Zeit verändert, man spricht daher vom Hubble-Parameter. In der Vergangenheit hatte er einen größeren Wert als heute. Diese Abbremsung lässt sich nur über große Distanzen messen. ...

Die Messung der Lichtablenkung im Gravitationsfeld der Sonne während einer Sonnenfinsternis 1919 bestätigte eine der zentralen Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie. Das verhalf ihr zur breiten Anerkennung in der Fachwelt und weit darüber hinaus. Schon bald darauf wurde über weitere spektakuläre Effekte der gravitativen Lichtablenkung spekuliert: Falls sich eine genügend massereiche und kompakte Massenverteilung zwischen einer entfernten Quelle und uns befindet, kann es mehrere Lichtstrahlen geben, die uns mit der Quelle verbinden − und damit wäre die Quelle an mehreren Positionen der Sphäre zu sehen (Abb. 1). Die ersten Mehrfachbilder eines Quasars wurden 1979 entdeckt; inzwischen ist die Zahl solcher starken Gravitationslinsensysteme auf mehrere hundert angewachsen, wobei als Quellen aktive und normale Galaxien auftreten und Galaxien oder Gala­xienhaufen als Linse wirken [1].

Da Lichtbündel nicht nur als Ganzes, sondern auch differentiell abgelenkt werden, sind die beobachteten Bilder im Vergleich zum Bild der unabgelenkten Quelle verzerrt. Dies hat zwei Effekte zur Folge: Erstens ändert sich die Querschnittsfläche (bzw. der beobachtete Raumwinkel) der Lichtbündel. Da die Flächenhelligkeit aufgrund des Liouville-Theorems erhalten bleibt, ändert sich der beobachtete Fluss eines Bildes um diese Flächenverzerrung. Zweitens verändert sich die Form der Bilder. Beide Effekte können dramatische Konsequenzen haben, etwa leuchtende Bögen in Galaxienhaufen (Abb. 2). Der Fluss dieser Bögen kann den der „ungelinsten“ Quelle um einen Faktor 20 oder mehr übersteigen. Wie schon Fritz Zwicky 1937 vorhersagte, erlaubt uns der Linseneffekt daher einen besseren Blick auf leuchtschwache, sehr weit entfernte Quellen. In den meisten Fällen ist die Bildverzerrung wesentlich unspektakulärer als bei den leuchtenden Bögen und lässt sich in individuellen Bildern nicht identifizieren; wir sprechen dann vom „schwachen Gravitationslinsen­effekt“. Da jedoch in unserem Universum die Dichte von schwachen und weit entfernten Galaxien an der Sphäre sehr groß ist, ist es möglich, diese Verzerrungen statistisch nachzuweisen und quantitativ zu untersuchen...