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SDSS III
Die Rekonstruktion des Universums
Redaktion / Pressemitteilung des Leibniz-Instituts für Astrophysik Potsdam (AIP)
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19. Februar 2016

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.

BOSS

Gegenüberstellung der  Beobachtungsdaten der zwölften BOSS-Datenveröffentlichung (linke obere Hälfte) und der Resultate der Simulationen (rechte untere Hälfte). Bild: F. Kitaura (AIP) [Großansicht]

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 Sloan Digital Sky Survey III ist und hochpräzise die Rotverschiebung von Galaxien misst. Die Rotverschiebung wiederum erlaubt Rückschlüsse auf die Entfernung der Galaxien.

Bei der Analyse solcher Daten stellt sich stets eine grundlegende Frage: Wenn man sich das Universum als großes Experiment vorstellt, wie lassen sich dann Messfehler in den Beobachtungen feststellen? Während reguläre Labor-Experimente mehrfach wiederholt werden können, kann das Universum nur mithilfe von Simulationen in leistungsfähigen Computern nachgebildet werden.

Berücksichtigt werden müssen dabei auch statistische Effekte, wie sie sich beispielsweise durch geringfügige Dichte-Variationen im frühen Universum ergeben. 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", erläutert Francisco Kitaura vom Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP). "So war es uns möglich, die statistischen Eigenschaften der Beobachtungsdaten zu reproduzieren."

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Die Erstellung der simulierten Kataloge umfasste 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.

"Dieser neue Ansatz erlaubt es uns die Fehlerwerte der kosmologischen Parameter zuverlässig aus den Daten herauszufiltern", erklärt Chia-Hsun Chuang ebenfalls vom AIP. "Der MareNostrum-Supercomputer des Barcelona Supercomputing Center hat hier die größte Zahl von synthetischen Galaxienkatalogen mit einem mehr als zehn Mal größeren Volumen als alle bisherigen Simulationen zusammen erstellt", ergänzt Gustavo Yepes von der Autonomous University of Madrid.

Der Vergleich der analysierten Beobachtungsdaten mit den errechneten Modellen lieferte den Astronomen nun 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.

Über ihre Studie berichten die Astronomen in einem Fachartikel, der in der Zeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society erscheint.

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siehe auch
SDSS III: Entfernte Galaxien genau vermessen - 9. Januar 2014
Surveys: Blick auf die frühere Galaxienverteilung - 4. April 2012
SDSS III: Kosmische Archäologie mit BOSS - 5. Oktober 2009
Links im WWW
Preprint des Fachartikels bei arXiv.org
Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP)
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