40 000 Universen

Forschern am Max-Planck-Institut für Astrophysik gelingt bisher detailgenaueste Kartografierung des Kosmos

27. November 2009

Parallelwelten gehören eher ins Reich der Fiktion. Aber selbst seriöse Wissenschaftler beschäftigen sich mit dem Multiversum - wenngleich in einem etwas anderen Wortsinn. So haben Forscher aus dem Max-Planck-Institut für Astrophysik dank eines neuen Computeralgorithmus die bisher detailgetreueste Kartografierung des sichtbaren Universums vorgenommen - und das gleich in 40 000 Versionen. Jede davon zeigt ein mögliches Universum, passend zu den bekannten Galaxien. Diese 40 000 Karten vereinen unser momentanes Wissen über die beobachteten kosmischen Strukturen. Und ihre Unterschiede zeigen, wie unbekannte Regionen des Alls aussehen könnten. (Preprints arXiv:0911.2498 und arXiv:0911.2496).

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Das Weltall in 3-D: Ansicht (blau) und Querschnitte (rot) der über die 40000 möglichen Universen gemittelten, dreidimensionalen kosmischen Karte.

Die endlosen Weiten des Universums sind erfüllt von Galaxien, deren Milliarden Jahre altes Licht wir heute in unseren Teleskopen beobachten. Dabei finden wird die fernen Milchstraßensysteme nicht beliebig im All verteilt, sondern sie zeichnen die Konturen eines gigantischen kosmischen Geflechts nach. Dieses Netz besteht aus mysteriöser unsichtbarer dunkler Materie und hat sich über die Äonen aus dem Zusammenspiel vieler physikalischer Phänomene gebildet.

Der Ursprung dieser Struktur liegt in den mikroskopischen Quantenfluktuationen, die während der ersten Sekundenbruchteile des Universums auftraten und formte sich in den folgenden fast 14 Milliarden Jahren unter dem wesentlichen Einfluss der Gravitation. Eine exakte Vermessung und Kartografierung gewährt daher Einblick in die Frühphasen des Weltalls kurz nach seiner Geburt, als der Raum noch mit Strahlung und heißem Plasma erfüllt war und es weder Sterne noch Galaxien gab. Zudem liefern Analysen dieser Struktur Aufschluss über die Eigenschaften der Materie, über Gravitation und Galaxienbildung sowie über geometrische Eigenschaften von Raum und Zeit.

Anders als Seefahrer und Entdecker vergangener Zeiten können Astronomen die "Landkarte" des Universums nicht selbst "erfahren", sondern nur mit Teleskopen aus der Ferne erarbeiten. Dabei stören Ungenauigkeiten die Messung. Insbesondere lassen sich lichtschwache Galaxien mit zunehmendem Abstand immer schlechter aufspüren: Die Information über die kosmische Struktur verschwindet bei großen Abständen im Nebel der Ungewissheit - das Netzwerk erscheint unscharf und lässt sich nur noch erahnen.

Eine wissenschaftlich gehaltvolle Karte des Weltalls muss daher neben der Darstellung der kosmischen Struktur auch noch Aussagen über deren "Glaubwürdigkeit" machen. Hierbei wird die Glaubwürdigkeit - gemäß dem Mathematiker Thomas Bayes (1702 bis 1761) - mittels einer Wahrscheinlichkeit quantifiziert, die ausdrückt, wie gut wir das kosmische Netz erkennen können.

Die Erstellung derartiger Karten bedarf der Durchmusterung von extrem hochdimensionalen Räumen und war bisher ein nicht zu bewältigendes Rechenproblem. Am Max-Planck-Institut für Astrophysik hat nun Jens Jasche den auf der Bayesischen Statistik basierenden Computeralgorithmus HADES (HAmiltonian Density Estimation and Sampling) entwickelt, der es erlaubt, die dreidimensionalen kosmischen Strukturen zu analysieren und zu bewerten.

HADES liefert nicht nur eine einzige Karte des Universums, sondern gleich einen Satz unterschiedlicher Karten, die alle im Mittel die gleichen durch die Beobachtungsdaten aufgezeigten Strukturen zeigen, sich aber in ihren sonstigen Details unterscheiden. Jede dieser Karten zeigt ein mögliches Universum, das mit den Daten kompatibel ist. Strukturen, die in allen Karten vorkommen, sind daher glaubwürdiger als Strukturen, die sich nur in wenigen Karten finden. Der Kartensatz liefert also die Information über die Vertrauenswürdigkeit aller kartografierten Strukturen und erlaubt eine vernünftige wissenschaftliche Analyse.

Basierend auf dieser Methode hat ein internationales Team von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Astrophysik in Garching bei München und der Scuola Normale Superiore di Pisa in Italien aus den Galaxiendaten des Sloan Digital Sky Surveys die bisher detailgetreueste Abbildung unserer kosmischen Umgebung ermittelt. Die Analyse der Daten umfasst ein würfelförmiges Gebiet mit einer Seitenlänge von mehr als 2,1 Milliarden Lichtjahren und spiegelt das kosmische Geflecht in überraschender Qualität wieder. Dieses besteht, wie von Simulationen vorhergesagt, aus vielen filamentartigen Strukturen und großen leeren Regionen.

Insgesamt erzeugten die Forscher 40 000 solcher möglichen Universen und erhielten drei Terabyte an Daten, mittels derer sie die Glaubwürdigkeit der erkannten Strukturen bewerten und präzise Vertrauensgrenzen bestimmen können. Das gewonnene kosmische Kartenmaterial erlaubt nun weitergehende Analysen der Galaxien- und Strukturentstehung sowie die Vorhersage vieler physikalischer Effekte, die mittels der Mission des Satelliten Planck oder dem Radiointerferometer LOFAR gemessen und bestätigt werden können.

Zukünftige Beobachtungen der Galaxienverteilung werden noch weitaus größere und detailliertere kosmische Karten ermöglichen. Dann steht auch das Forscherteam am Max-Planck-Institut bereit, die Grenzen des bekannten Universums weiter in die Tiefen des Raumes zu verschieben.

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