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KOSMOLOGIE
Mit künstlicher Intelligenz im kosmischen Netz
Redaktion / Pressemitteilung des Leibniz-Institut für Astrophysik
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24. September 2012

Wie erklärt sich die heutige Verteilung der Galaxien und die Bewegung unseres lokalen Galaxienhaufens durchs All? Da beide Aspekte stark von der Dunklen Materie beeinflusst werden, sind entsprechende Simulationen schwierig. Nun hat ein Astrophysiker aus Potsdam ein neues, vielversprechendes Verfahren ausprobiert: Es setzt auf künstliche Intelligenz.

Kosmisches Netz

Ein Blick auf das kosmische Netz im lokalen Universum. Das Bild zeigt einen Bereich mit einem Durchmesser von 370 Millionen Lichtjahren.  Bild: AIP [Großansicht]

Um die Entwicklung des Universums nachzuvollziehen, durchmustern Großteleskope immer wieder den Nachthimmel. Sie entdecken auf diese Weise unzählige Galaxien, die sich in bestimmte Strukturen anordnen und das sogenannte kosmische Netz bilden. Astronomen gehen jedoch davon aus, dass die leuchtenden Objekte, die sie im Nachthimmel beobachten, nur etwa ein Fünftel der Materie im Universum ausmachen. Der größte Teil der Materie strahlt nicht und wird als Dunkle Materie bezeichnet. Zusätzlich gibt es eine dominierende Dunkle-Energie-Komponente, die etwa 70 Prozent der gesamten Energie im Universum ausmacht und für die beschleunigte Expansion des Weltalls verantwortlich ist.

Das Modell, das ein solches Universum beschreibt, nennen Astrophysiker das LCDM-Modell (LCDM steht für Lamda cold dark matter) und versuchen es immer wieder aufs Neue zu überprüfen, da weder die Dunkle Materie noch die Dunkle Energie bislang direkt beobachtet worden sind. Die Messung der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung, die oft auch als "Echo des Urknalls" bezeichnet wird, ermöglicht den Astronomen aber die Bewegung der Lokalen Gruppe, unseres Heimatgalaxienhaufens, zu messen. Diese Bewegung versuchen sie durch die Anziehungskraft der umliegenden Dunklen Materie zu erklären, können dabei allerdings nur auf ihre Beobachtungen der sichtbaren Galaxienverteilung zurückgreifen.

"Aufschluss über die Verteilung der Dunklen Materie und deren Dynamik anhand der Galaxienverteilung zu gewinnen gleicht dem Versuch, aus der Satellitenaufnahme der Erde bei Nacht, auf der man allein die Lichter der stark besiedelten Regionen sieht, ein geographisch genaues Abbild unseres Planeten zu formen", verdeutlicht Francisco Kitaura vom Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) die Schwierigkeit. "Und das nicht nur zum heutigen Zeitpunkt, sondern auch zu einem vergangenen, als die Kontinente noch zusammenhingen, um gleichzeitig die Kontinentalverschiebung zu bestimmen."

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Um dieses Problem lösen zu können, entwickelten Kitaura und seine Kollegen einen Algorithmus, der sich künstliche Intelligenz zunutze macht. Die Methode spielt iterativ generierte Anfangsfluktuationen und die daraus resultierende Strukturentstehung in einem selbstlernenden Prozess durch. Die Ergebnisse werden dann mit der tatsächlichen Galaxienverteilung im Universum abgeglichen. So können durch das Verfahren auch die Bewegungsrichtung und Geschwindigkeitsfelder von Galaxien bestimmt werden.

"Unsere genauen Rechnungen zeigen, dass die Bewegungsrichtung und 80 Prozent des Geschwindigkeitsbetrags der Lokalen Gruppe durch die Materieverteilung innerhalb eines Radius von etwa 370 Millionen Lichtjahren in Übereinstimmung mit dem LCDM-Modell erklärt werden können", erklärt Kitaura, der die Studie geleitet hat. "Um die restlichen 20 Prozent zu erklären, müssen wir noch berücksichtigen, dass die Dynamik theoretisch von kosmischen Strukturen aus etwa 460 Millionen Lichtjahren Entfernung beeinflusst werden kann."

Kitauras Verfahren ist die erste in sich konsistente Methode einer parallelen Rekonstruktion der Anfangsdichtefluktuationen des heutigen kosmischen Netzes und der Geschwindigkeitsfelder, die kompatibel mit der dreidimensionalen Verteilung der Galaxien in unserem lokalen Universum ist. Die Methode findet bereits jetzt innerhalb eines internationalen Teams weitere Anwendung, um mit bisher unerreichter Genauigkeit die Entwicklung des lokalen Universums auf Supercomputern zu simulieren und somit Rückschlüsse auf die Entstehung unserer Umgebung und unserer eigenen Galaxie zu ziehen.

Francisco Kitaura forscht seit Juli 2011 als Karl-Schwarzschild-Fellow am Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam. Seine Forschungsinteressen umfassen die Strukturentstehung im Universum und deren statistische Charakterisierung. Ein Fachartikel über die jetzt vorgestellte Studie erscheint in Kürze in den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

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siehe auch
Kosmologie: Die Entstehungsgeschichte von 20 Millionen Galaxien - 2. Juni 2005
Links im WWW
Leibniz-Institut für Astrophysik
Preprint des Fachartikels bei arXiv.org
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