Kosmologische Simulationen haben das Ziel unser derzeitiges Verständnis der Galaxienentwicklung einzufangen, die Interpretation komplexer, astronomischer Beobachtungen zu unterstützen und detaillierte Vorhersagen für zukünftige Experimente zu machen. Simulationen und Beobachtungen werden allerdings oft nur indirekt verglichen: physikalische Größen werden aus den Beobachtungsdaten abgeschätzt und mit den Modellen verglichen. Eine wichtige Einschränkung besteht bei dieser Herangehensweise darin, dass die Beobachtungen typischerweise ein verzerrtes Bild des Universums liefern und so das Extrahieren von physikalischer Information zu einer Herausforderung machen.

Viele Probleme in der Astrophysik könnten deshalb davon profitieren es umgekehrt zu machen: der gesamte Beobachtungsprozess wird auf die Simulationen angewandt, so dass die Modelle vollständig aus einer Beobachterperspektive gesehen werden können. Ein kleines Team aus aktiven und ehemaligen MPA-Wissenschaftlern hat nun das Millennium Run Observatorium (MRObs) entwickelt. Dies ist ein theoretisches, virtuelles Observatorium, das mit virtuellen Teleskopen die semi-analytische Galaxienverteilung „beobachtet“, die auf den am MPA entwickelten Millennium-Simulationen mit Dunkler Materie basiert. Das MRObs produziert Daten, die mit den Standardsoftwareprogrammen der Beobachter verarbeitet und analysiert werden können, die für reale Daten entwickelt wurden.

Wie funktioniert es? Das MRObs erzeugt gänzlich physikalisch basierte, synthetische Bilder des Nachthimmels, indem es viele verschiedene Beiträge aus kosmologischen Simulationen, diverse existierende Softwarepakete für astronomische Anwendungen sowie neu erstellte Software für das MRObs zusammenbringt. Die Basis für die semi-analytische Modellierung der Galaxien in Halos bilden hierbei Vereinigungsbäume der Halos, die auf die Millennium-Simulation aus rein Dunkler Materie aufbauen. Die Modelle benutzen einfache Beschreibungen für Prozesse wie die Gaskühlung, Sternentstehung, Heizung durch Supernovae und AGNs, Gasverlust und das Verschmelzen von Galaxien. Für jeden Zeitschritt der Simulation werden die physikalischen Eigenschaften der Galaxien benutzt, um geeignete Sternvorlagen aus einem Katalog theoretischer Spektren auszuwählen und damit die intrinsischen Spektren zu bestimmen. ‚Lichtkegel‘ werden gebildet, um die simulierten Galaxien so ähnlich anzuordnen, wie sie sich für einen Beobachter am Himmel darstellen würden. Anschließend werden die scheinbaren Helligkeiten in mehreren Bändern berechnet, unter Berücksichtigung der Absorption durch das intergalaktische Medium. Der Lichtkegel wird dann auf einen virtuellen Himmel projiziert; die Position, Form, Größe, und scheinbare Helligkeit jeder Galaxie dienen dazu ein ‚perfektes‘ oder ‚Vor-Beobachtungsbild‘ aufzubauen. Dieses perfekte Bild wird in den MRObs-Teleskop-Simulator eingegeben, der dem Bild ein Detektor-Modell (Pixelskala, Ausleserauschen, Dunkelstrom, Empfindlichkeit und Verstärkung) aufprägt, sowie Himmelshintergrund, Punktverwaschungsfunktion und Rauschen ergänzt. Dies führt zu einem realistischen, synthetischen Teleskopbild. Algorithmen zur Identifikation und Analyse der Quellen liefern dann für das simulierte Bild einen Katalog mit den scheinbaren Eigenschaften aller gefundenen Objekte. Dieser Objektkatalog kann anschließend mit den in der Millennium-Datenbank vorhandenen Daten verglichen werden, um so die realen, physikalischen Eigenschaften der Galaxien mit denen zu vergleichen, die aus den simulierten Bildern bestimmt wurden.

Das MRObs erweitert somit die Millenniumsimulationen, indem es Datenprodukte – nämlich synthetische Bilder und Objektkataloge - erzeugt, die sich direkt auf Beobachtungen beziehen. Die bisher mit dem MRObs simulierten Daten umfassen Teile des Sloan Digital Sky Survey (SDSS), des Canada France Hawaii Telescope Legacy Survey (CFHT-LS), des Great Observatories Origins Deep Survey (GOODS), des GOODS WFC3 Early Release Science (ERS), des Hubble Ultra Deep Field (HUDF, siehe Abb. 1), sowie des Cosmic Assembly Near-IR Deep Extragalactic Legacy Survey (CANDELS). Die zur Verfügung stehenden Informationen umfassen Lichtkegelkataloge mit Bezug zu den strukturellen Eigenschaften der Galaxien, Modellbilder vor der Beobachtung, simulierte Beobachtungsbilder und Quellkataloge, die alle auf die Kataloge aus der Millennium-Datenbank mit Dunkler Materie und semi-analytische Galaxienmodelle zurückgeführt werden können. Dies erlaubt es den Theoretikern ihre analytischen Modelle gegenüber Beobachtungen zu testen, hilft den Beobachtern detaillierte Vorhersagen für Beobachtungen zu machen und auch die Analyse von Beobachtungsdaten zu verbessern, sowie die Modelle neuen Tests zu unterziehen. So kann das MRObs beispielsweise dazu eingesetzt werden, um das Erscheinungsbild von Galaxienhaufen zu visualisieren, die strukturellen Eigenschaften von Galaxien quer über unterschiedliche stellare Massen und Sternentstehungsraten hinweg vorherzusagen (siehe Abb. 2), oder um die Frage zu beantworten, wie viele Galaxien man bei einer Rotverschiebung von etwa 10 noch nachweisen kann. Die Daten können im MRObs-Browser interaktiv sondiert werden (Abb. 3).

Die Entwicklung des MRObs trifft zusammen mit einem Meilenstein der Millennium-Simulation: inzwischen gibt es 500 Veröffentlichungen, die zeigen, dass das vom MPA geleitete Millennium-Projekt heute noch genauso erfolgreich ist wie vor sieben Jahren. Erweiterungen des MRObs sind bereits in Arbeit; so werden die neueren Projekte Millennium-II und Millennium-XXL eingegliedert, um den dynamischen Bereich zu vergrößern, verbesserte kosmologische Parameter und Techniken zur Galaxienmodellierung werden berücksichtigt und die Bandbreite der virtuellen Teleskope und simulierten Surveys wird verbreitert, die sowohl Theoretikern als auch Beobachtern zur Verfügung stehen werden.

Roderik Overzier und Gerard Lemson

Originalveröffentlichung

Overzier, R., Lemson, G., Angulo, R., Bertin, E., Blaizot, J., Henriques, B., Marleau, G., White, S., "The Millennium Run Observatory: first light", 2012, MNRAS, in press (arXiv:1206.6923)

Further references

Webseite des Millennium Run Observatory und Zugang zum MRObs-Browser