Eine Rekonstruktion des Universums im Super-Computer
Baku, 22. Februar, AZERTAC
Im Rahmen der BOSS-Himmelsdurchmusterung wurden die Rotverschiebungen von mehr als einer Million Galaxien gemessen und so ein dreidimensionales Bild der Galaxienverteilung erstellt. Jetzt haben Astronomen diese Daten mithilfe von Computersimulationen rekonstruiert. Der Vergleich von Beobachtung und Simulation lieferte neue Erkenntnisse über das Universum.
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 reguläre Labor-Experimente mehrfach wiederholt werden können, kann das Universum nur in speziellen "Super-Computern" nachgebildet, nicht aber wiederholt 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.
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 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.
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.
