Die endlosen Weiten des Universums sind erfüllt von Galaxien, deren Milliarden Jahre altes Licht wir heute in unseren Teleskopen beobachten. Dabei sind sie nicht in beliebiger Weise im All verteilt, sondern zeichnen die Konturen eines gigantischen kosmischen Geflechtes ab. Dieses besteht aus mysteriöser unsichtbarer dunkler Materie und hat sich in der Geschichte des Kosmos durch das Zusammenspiel vieler physikalischer Phänomene gebildet.

Der Ursprung dieser beobachteten kosmischen Struktur findet sich in den mikroskopischen Quantenfluktuationen, die während der ersten Sekundenbruchteile des Universums auftraten. Unter dem wesentlichen Einfluss der Gravitation formten diese, im Verlauf der folgenden 14 Milliarden Jahre, das kosmische Netzwerk, wie wir es heute beobachten.

Eine exakte Vermessung und Kartographierung dieser kosmischen Struktur ermöglicht daher einen Einblick in die Frühphasen des Universums kurz nach dem Urknall, als der Raum noch mit Strahlung und heißem Plasma gefüllt war, und es weder Sterne noch Galaxien gab. Zudem liefern Analysen dieser Struktur Aufschluss über die Eigenschaften der kosmischen Materie, der Gravitation und Galaxienbildung sowie über geometrische Eigenschaften von Raum und Zeit des Universums. Solche kosmischen Karten ermöglichen ebenfalls die Vorhersage vieler beobachtbarer Effekte, welche durch Vergleiche mit tatsächlichen Messungen unser Verständnis von Raum, Zeit und Materie überprüfbar machen.

Anders jedoch als vergangene Seefahrer und Entdecker, welche die Umrisse der Kontinente mit ihren Schiffen erkundeten, können wir heute die Strukturen im Universum nur mittels unsere Teleskope auf der Erde kartographieren. Dabei unterliegt eine jede Beobachtung oder Messung der Galaxienverteilung auch leider immer einer Vielzahl von Messungenauigkeiten. Insbesondere können lichtschwache Galaxien mit zunehmendem Abstand von der Erde immer schlechter detektiert werden. Somit verschwindet auch die Information über die kosmische Struktur bei großen Abständen im Nebel der Ungewissheit. In großer Entfernung, oder aber auch in schlecht beobachteten Bereichen, erscheinen die kosmischen Strukturen daher unscharf und ihre Konturen können nur noch erahnt werden.

Eine wissenschaftlich gehaltvolle Karte des Universums muss daher neben der Darstellung der kosmischen Struktur auch noch Aussagen über deren Glaubwürdigkeit tätigen. Hierbei wird die Glaubwürdigkeit - gemäß dem Mathematiker Bayes - mittels einer Wahrscheinlichkeit quantifiziert, die ausdrückt, wie gut wir das kosmische Netz erkennen können.

Die Erstellung derartiger Karten bedarf der Durchmusterung von extrem hochdimensionalen Räumen und war bisher ein nicht zu bewältigendes Rechenproblem. Am Max-Planck-Institut für Astrophysik hat nun Jens Jasche den auf der Bayesischen Statistik basierenden Computeralgorithmus HADES (HAmiltonian Density Estimation and Sampling) entwickelt, der es erlaubt, die dreidimensionalen kosmischen Strukturen zu analysieren und zu bewerten.

HADES liefert nicht nur eine einzige Karte des Universums, sondern gleich einen Satz unterschiedlicher Karten, die alle im Mittel die gleichen durch die Beobachtungsdaten aufgezeigten Strukturen zeigen, sich aber in ihren sonstigen Details unterscheiden. Jede dieser Karte zeigt ein mögliches Universum, welches mit den Daten kompatibel ist. Strukturen, die in allen Karten vorhanden sind, sind daher glaubwürdiger als Strukturen, die sich nur in wenigen dieser Karten finden. Der Satz dieser Karten liefert also die Information über die Vertrauenswürdigkeit aller kartographierten Strukturen, die notwendig für eine weitere wissenschaftliche Analyse ist.

Basierend auf dieser Methode hat ein internationales Team, bestehend aus Wissenschaftlern vom Max-Planck-Institut für Astrophysik in Deutschland und der Scuola Normale Superiore di Pisa in Italien, aus den Galaxiendaten des Sloan-Digital-Sky-Surveys die bisher detailgetreuste Abbildung unserer kosmischen Umgebung ermittelt. Die Analyse der Daten umfasst ein kubisches Gebiet mit einer Seitenlänge von mehr als 2,1 Milliarden Lichtjahren und spiegelt in überraschender Qualität das großskalige kosmische Geflecht wieder. Dieses besteht, wie von Simulationen vorhergesagt, aus vielen filamentären Strukturen und großen leeren Regionen.

Insgesamt erzeugten die Forscher 40.000 solcher möglichen Universen und erhielten drei Terabyte an Daten, mittels derer sie die Glaubwürdigkeit der erkannten Strukturen bewerten und präzise Vertrauensgrenzen bestimmen können. Das gewonnene kosmische Kartenmaterial erlaubt nun weitergehende Analysen der Galaxien- und Strukturentstehung im Universum sowie die Vorhersage einer Reihe physikalischer Effekte, die mittels der Planck-Surveyor Satelliten Mission oder dem LOFAR Radiointerferometer gemessen und bestätigt werden können.

Zukünftige Beobachtungen der Galaxienverteilung werden noch weitaus größere und detailliertere kosmische Karten ermöglichen. Dann steht auch das Forscherteam am Max-Planck-Institut bereit, die Grenzen des bekannten Universums weiter in die Tiefen des Raumes zu verschieben.

Jens Jasche, Franciso S. Kitaura, Cheng Li, Torsten A. Enßlin

Beteiligte Institute:

Veröffentlichungen

J. Jasche, F.S. Kitaura, C. Li, T.A. Enßlin, "Bayesian non-linear large scale structure inference of the Sloan Digital Sky Survey data release 7", arXiv:0911.2498

J. Jasche, F.S. Kitaura, "Fast Hamiltonian sampling for large scale structure inference" arXiv:0911.2496