Forschungsbericht 2013 - Max-Planck-Institut für Astrophysik

First Light für das Millennium-Observatorium

Autoren
Overzier, Roderik; Lemson, Gerard
Abteilungen
Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching
Zusammenfassung
Die bekannten Millennium-Simulationen erscheinen nun in einem ganz neuen Licht: Das Millennium-Observatorium-Projekt vereint die detaillierten Vorhersagen kosmologischer Simulationen mit einem virtuellen Observatorium um synthetische astronomische Beobachtungen zu erzeugen. Astronomen können mit diesen virtuellen Beobachtungen die rein theoretischen Daten in exakt der gleichen Art und Weise analysieren wie reine Beobachtungsdaten. Das Team erwartet, dass die Vorzüge dieser Herangehensweise die Kollaboration zwischen theoretischen und beobachtenden Astronomen bereichern wird.

Kosmologische Simulation haben das Ziel unser derzeitiges Verständnis der Galaxienentwicklung einzufangen, die Interpretation komplexer, astronomischer Beobachtungen zu unterstützen und detaillierte Vorhersagen für zukünftige Experimente zu machen. Simulationen und Beobachtungen werden allerdings oft nur indirekt verglichen: physikalische Größen werden aus den Beobachtungsdaten abgeschätzt und mit den Modellen verglichen. Eine wichtige Einschränkung besteht bei dieser Herangehensweise darin, dass die Beobachtungen typischerweise ein verzerrtes Bild des Universums liefern und so das Extrahieren von physikalischer Information zu einer Herausforderung machen.

Viele Probleme in der Astrophysik könnten deshalb davon profitieren es umgekehrt zu machen: Der gesamte Beobachtungsprozess wird auf die Simulationen angewandt, sodass die Modelle vollständig aus einer Beobachterperspektive gesehen werden können. Ein kleines Team aus aktiven und ehemaligen Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Astrophysik MPA) hat nun das Millennium-Run-Observatorium (MRObs) entwickelt. Dies ist ein theoretisches, virtuelles Observatorium, das mit virtuellen Teleskopen die semi-analytischen Galaxienverteilung „beobachtet“, die auf den am MPA entwickelten Millennium-Simulationen mit Dunkler Materie basiert. Das MRObs produziert Daten, die mit den Standardsoftwareprogrammen der Beobachter verarbeitet und analysiert werden können, die für reale Daten entwickelt wurden [1].

Theoretische Daten praktisch beobachten

Wie funktioniert es? Das MRObs erzeugt gänzlich physikalisch basierte, synthetische Bilder des Nachthimmels, indem es viele verschiedene Beiträge aus kosmologischen Simulationen, diverse existierende Softwarepakete für astronomische Anwendungen sowie neu erstellte Software für das MRObs zusammenbringt.

Die Basis für die semi-analytische Modellierung der Galaxien in Halos bilden hierbei Vereinigungsbäume der Halos, die auf die Millennium-Simulation aus rein Dunkler Materie aufbauen. Die Modelle benutzen einfache Beschreibungen für Prozesse wie die Gaskühlung, Sternentstehung, Heizung durch Supernovae und AGNs (active galactic nucleus), Gasverlust und das Verschmelzen von Galaxien. Für jeden Zeitschritt der Simulation werden die physikalischen Eigenschaften der Galaxien benutzt um geeignete Sternvorlagen aus einem Katalog theoretischer Spektren auszuwählen und damit die intrinsischen Spektren zu bestimmen.

„Lichtkegel“ werden gebildet, um die simulierten Galaxien so ähnlich anzuordnen, wie sie sich für einen Beobachter am Himmel darstellen würden. Anschließend werden die scheinbaren Helligkeiten in mehreren Bändern berechnet, unter Berücksichtigung der Absorption durch das intergalaktische Medium. Der Lichtkegel wird dann auf einen virtuellen Himmel projiziert; die Position, Form, Größe, und scheinbare Helligkeit jeder Galaxie dienen dazu ein „perfektes“ oder „Vor-Beobachtungsbild“ aufzubauen.

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Abb. 1: Ein Screenshot des MRObs-Browsers, das den Nutzern vom MPA zur Verfügung gestellt wird, um die virtuellen Beobachtungen zu erkunden und eine Interaktion mit der zugrunde liegenden Millenniums-Datenbank möglich zu machen. Oben: Grundeinstellung des Browsers, mit einem kleinen Ausschnitt aus einer synthetischen HST/GOODS-Beobachtung (in den Filtern V, i, z). Die Benutzer können sich in der synthetischen Aufnahme bewegen und zoomen sowie die Millennium-Datenbank durch einen Klick auf eine Galaxie abfragen. Informationen über das ausgewählte Objekt (gekennzeichnet durch ein weißes Quadrat) werden dann aus dem Millenniums-Datenbank abgerufen und in der Info-Tafel auf der rechten Seite des Bildschirms dargestellt. Unten: Der Benutzer kann alle Galaxien einer „friends-of-friends“-Gruppe rund um die ausgewählte Galaxie markieren. Im gezeigten Fall stellt sich heraus, dass es sich bei der ausgewählten Galaxie um die zentrale Galaxie einer Gruppe bei z ≈ 0,5 handelt.
Abb. 1: Ein Screenshot des MRObs-Browsers, das den Nutzern vom MPA zur Verfügung gestellt wird, um die virtuellen Beobachtungen zu erkunden und eine Interaktion mit der zugrunde liegenden Millenniums-Datenbank möglich zu machen. Oben: Grundeinstellung des Browsers, mit einem kleinen Ausschnitt aus einer synthetischen HST/GOODS-Beobachtung (in den Filtern V, i, z). Die Benutzer können sich in der synthetischen Aufnahme bewegen und zoomen sowie die Millennium-Datenbank durch einen Klick auf eine Galaxie abfragen. Informationen über das ausgewählte Objekt (gekennzeichnet durch ein weißes Quadrat) werden dann aus dem Millenniums-Datenbank abgerufen und in der Info-Tafel auf der rechten Seite des Bildschirms dargestellt. Unten: Der Benutzer kann alle Galaxien einer „friends-of-friends“-Gruppe rund um die ausgewählte Galaxie markieren. Im gezeigten Fall stellt sich heraus, dass es sich bei der ausgewählten Galaxie um die zentrale Galaxie einer Gruppe bei z ≈ 0,5 handelt.

Dieses perfekte Bild wird in den MRObs-Teleskop-Simulator eingegeben, der dem Bild ein Detektor-Modell (Pixelskala, Ausleserauschen, Dunkelstrom, Empfindlichkeit und Verstärkung) aufprägt, sowie Himmelshintergrund, Punktverwaschungsfunktion und Rauschen ergänzt. Dies führt zu einem realistischen, synthetischen Teleskopbild. Algorithmen zur Identifikation und Analyse der Quellen liefern dann für das simulierte Bild einen Katalog mit den scheinbaren Eigenschaften aller gefundenen Objekte.

Dieser Objektkatalog kann anschließend mit den in der Millennium-Datenbank vorhandenen Daten verglichen werden, um so die realen, physikalischen Eigenschaften der Galaxien mit denen zu vergleichen, die aus den simulierten Bildern bestimmt wurden. Der MRObs-Browser – der online verfügbar ist – erlaubt es den Benutzern, die simulierten Bilder zu erforschen und mit dem zugrunde liegenden physikalischen Universum (so wie es in der Datenbank abgespeichert ist) zu interagieren (Abb. 1).

Ein Blick durch’s virtuelle Teleskop

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Abb. 2: Falschfarbenaufnahmen des Hubble Ultra Deep Field, wie sie vom Millennium-Run-Observatorium vorhergesagt werden (links), sowie die tatsächliche Aufnahme mit dem Hubble-Weltraumteleskop (rechts). Die Bilder haben eine Größe von 5' mal 5' und wurden aus virtuellen und realen Beobachtungen in den Filtern V (blau), i (grün) und z (rot) zusammengesetzt. Die Ähnlichkeit zwischen dem virtuellen MRObs-Bild und dem realen HAST-Bild ist offensichtlich. Die Bilder können im MRObs auf die gleiche Weise analysiert werden wie die realen Daten, mit dem Vorteil, dass nur für die MRObs-Bilder die zugrundeliegende „Realität“ bekannt ist. Der Vergleich dieser simulierten und realen Daten erlaubt es den Astronomen, ihre Methoden zu testen, nachzuprüfen wie gut die Simulationen das tatsächliche Universum reproduzieren und Vorhersagen für zukünftige Beobachtungen zu treffen.
Abb. 2: Falschfarbenaufnahmen des Hubble Ultra Deep Field, wie sie vom Millennium-Run-Observatorium vorhergesagt werden (links), sowie die tatsächliche Aufnahme mit dem Hubble-Weltraumteleskop (rechts). Die Bilder haben eine Größe von 5' mal 5' und wurden aus virtuellen und realen Beobachtungen in den Filtern V (blau), i (grün) und z (rot) zusammengesetzt. Die Ähnlichkeit zwischen dem virtuellen MRObs-Bild und dem realen HAST-Bild ist offensichtlich. Die Bilder können im MRObs auf die gleiche Weise analysiert werden wie die realen Daten, mit dem Vorteil, dass nur für die MRObs-Bilder die zugrundeliegende „Realität“ bekannt ist. Der Vergleich dieser simulierten und realen Daten erlaubt es den Astronomen, ihre Methoden zu testen, nachzuprüfen wie gut die Simulationen das tatsächliche Universum reproduzieren und Vorhersagen für zukünftige Beobachtungen zu treffen.

Das MRObs erweitert somit die Millennium-Simulationen, indem es Datenprodukte – nämlich synthetische Bilder und Objektkataloge – erzeugt, die sich direkt auf Beobachtungen beziehen. Die bisher mit dem MRObs simulierten Daten umfassen Teile des Sloan Digital Sky Survey (SDSS), des Canada France Hawaii Telescope Legacy Survey (CFHT-LS), des Great Observatories Origins Deep Survey (GOODS), des GOODS WFC3 Early Release Science (ERS), des Hubble Ultra Deep Field (HUDF, Abb. 2), sowie des Cosmic Assembly Near-IR Deep Extragalactic Legacy Survey (CANDELS).

Die zur Verfügung stehenden Informationen umfassen Lichtkegelkataloge mit Bezug zu den strukturellen Eigenschaften der Galaxien, Modellbilder vor der Beobachtung, simulierte Beobachtungsbilder und Quellkataloge, die alle auf die Kataloge aus der Millennium-Datenbank mit Dunkler Materie und semi-analytischen Galaxienmodellen zurückgeführt werden können.

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Original 1508156584
Abb. 3: Die MRObs Beobachtungen erlauben es, Farben, Formen und Größen von simulierten Galaxien auf eine Art und Weise zu visualisieren, die vorher unmöglich war. Auf der linken Seite sind Galaxien bei z ≈ 2 dargestellt, so wie die Simulationen ihrer stellaren Massen und Sternentstehungsraten (SFR) vorhersagen. Rechts sind die gleichen Galaxien aufgetragen, allerdings so, wie sie in einer simulierten HST-Mehrfarbenaufnahme zu sehen wären (mit der gleichen Qualität wie die jüngsten Daten aus dem GOODS/ERS-Programm). Das Diagramm rechts enthält eine Fülle von zusätzlichen Informationen im Vergleich zum Standard-Diagramm links: Der simulierte Galaxienpopulation bei z ≈ 2 besteht aus einer blauen Sterne bildenden Sequenz sowie einer Population massiver, roter und kompakter Galaxien, in denen die Sternentstehung bereits zum Erliegen gekommen ist – qualitativ ähnlich wie die Ergebnisse aus Beobachtungen. Das MRObs hat den Vorteil, dass die Astronomen nun auch quantitativ untersuchen können, wie gut die Eigenschaften von realen und simulierten Galaxien übereinstimmen.
Abb. 3: Die MRObs Beobachtungen erlauben es, Farben, Formen und Größen von simulierten Galaxien auf eine Art und Weise zu visualisieren, die vorher unmöglich war. Auf der linken Seite sind Galaxien bei z ≈ 2 dargestellt, so wie die Simulationen ihrer stellaren Massen und Sternentstehungsraten (SFR) vorhersagen. Rechts sind die gleichen Galaxien aufgetragen, allerdings so, wie sie in einer simulierten HST-Mehrfarbenaufnahme zu sehen wären (mit der gleichen Qualität wie die jüngsten Daten aus dem GOODS/ERS-Programm). Das Diagramm rechts enthält eine Fülle von zusätzlichen Informationen im Vergleich zum Standard-Diagramm links: Der simulierte Galaxienpopulation bei z ≈ 2 besteht aus einer blauen Sterne bildenden Sequenz sowie einer Population massiver, roter und kompakter Galaxien, in denen die Sternentstehung bereits zum Erliegen gekommen ist – qualitativ ähnlich wie die Ergebnisse aus Beobachtungen. Das MRObs hat den Vorteil, dass die Astronomen nun auch quantitativ untersuchen können, wie gut die Eigenschaften von realen und simulierten Galaxien übereinstimmen.

Dies erlaubt es den Theoretikern ihre analytischen Modelle gegenüber Beobachtungen zu testen, hilft den Beobachtern detaillierte Vorhersagen für Beobachtungen zu machen und auch die Analyse von Beobachtungsdaten zu verbessern sowie die Modelle neuen Tests zu unterziehen. So kann das MRObs beispielsweise dazu eingesetzt werden, um das Erscheinungsbild von Galaxienhaufen zu visualisieren, die strukturellen Eigenschaften von Galaxien quer über unterschiedliche stellare Massen und Sternentstehungsraten hinweg vorherzusagen (Abb. 3), oder um die Frage zu beantworten, wie viele Galaxien man bei einer Rotverschiebung von etwa 10 noch nachweisen kann.

Ausbau des MRObs

Die Entwicklung des MRObs trifft zusammen mit einem Meilenstein der Millennium-Simulation: Inzwischen gibt es 500 Veröffentlichungen, die zeigen, dass das vom MPA geleitete Millennium-Projekt heute noch genauso erfolgreich ist wie vor 7 Jahren. Erweiterungen des MRObs sind bereits in Arbeit; so werden die neueren Projekte Millennium-II und Millennium-XXL eingegliedert, um den dynamischen Bereich zu vergrößern, verbesserte kosmologische Parameter und Techniken zur Galaxienmodellierung werden berücksichtigt und die Bandbreite der virtuellen Teleskope und simulierten Surveys wird verbreitert, die sowohl Theoretikern als auch Beobachtern zur Verfügung stehen werden.

Literaturhinweise

1.
Overzier, R.; Lemson, G.; Angulo, R.
The Millennium Run Observatory: first light
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 428, 778-803 (2012)
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