Eine Rekonstruktion des Universums im Super-Computer

20. Februar 2016, 20:03
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Rekord-Simulation hilft Astrophysikern dabei, Messfehler bei Himmelsdurchmusterung zu bestimmen

Potsdam – Um sich eine einigermaßen akkurate Vorstellung vom Aussehen unseres Kosmos' zu machen, muss man unter anderem Position und Entfernung der Galaxien feststellen – dank ihrer schier unfassbaren Anzahl ist das eine kaum bewältigbare Aufgabe. Der Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS), eine umfangreiche Himmelsdurchmusterung, hat etwa Rotverschiebungen von mehr als einer Million Galaxien gemessen und so ein dreidimensionales Bild von Lichtquellen unseres Universums erstellt. Aber wie lässt sich herausfinden, ob nicht Messfehler das Bild verfälschen? Astrophysikern haben nun auf Basis von BOSS-Daten tausende Galaxien reproduziert. Die Simulation helfen den Forschern dabei, Messunsicherheiten der Beobachtungen zu erkennen und zu eliminieren.

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?

Millionen von Rechenstunden

Während reguläre Labor-Experimente mehrfach wiederholt werden können, kann das Universum allenfalls grob in speziellen Super-Computern nachgebildet 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. "Wir haben die notwendigen Methoden entwickelt um Tausende simulierte Galaxienkataloge zu generieren. So war es uns möglich, die statistischen Eigenschaften der Beobachtungsdaten zu reproduzieren", erklärt Francisco Kitaura vom Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP).

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.

Zehnmal größere Simulation

"Dieser neue Ansatz erlaubt es uns die Fehlerwerte der kosmologischen Parameter zuverlässig aus den Daten herauszufiltern", ergänzt Chia-Hsun Chuang vom AIP. "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", sagt Gustavo Yepes von der Autonomous University of Madrid (UAM).

Durch den Vergleich der analysierten Daten mit den errechneten Modellen gewinnen die Astronomen eine ganze Reihe neuer 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. (red, 20.2.2016)

  • Das Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) spürt Dichtwellen aus der Geburtszeit des Universums auf, die bis heute in der kosmischen Hintergrundstrahlung und in der Verteilung der Galaxien nachweisbar ist.
    illu.: sdss/chris blake and sam moorfield

    Das Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) spürt Dichtwellen aus der Geburtszeit des Universums auf, die bis heute in der kosmischen Hintergrundstrahlung und in der Verteilung der Galaxien nachweisbar ist.

  • Bildliche Darstellung der Beobachtungsdaten der zwölften BOSS-Datenveröffentlichung (linke obere Hälfte) und der gegenübergestellten Simulationsberechnungen (rechte untere Hälfte).
    grafik: f. kitaura (aip)

    Bildliche Darstellung der Beobachtungsdaten der zwölften BOSS-Datenveröffentlichung (linke obere Hälfte) und der gegenübergestellten Simulationsberechnungen (rechte untere Hälfte).

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