Die von der University of Michigan geleitete Forschung könnte dabei helfen, die Kosmologie auf den richtigen Weg zu bringen, um das volle Potenzial von Teleskopen und anderen Instrumenten auszuschöpfen, die einige der größten drohenden Fragen des Universums untersuchen.
Das Projekt zeigte, wie eine neue Berechnungsmethode mehr Informationen als ihre Vorgänger aus Karten gewinnt, die zeigen, wie Galaxien im gesamten Universum angehäuft und verflochten sind.
Wissenschaftler nutzen derzeit Werkzeuge wie DESI, das Dark Energy Spectroscopic Instrument, um diese Karten zu erstellen und tiefer in die Natur der Dunklen Energie, der Dunklen Materie und anderer kosmischer Geheimnisse einzudringen.
Die dunkle Seite der Kosmologie
Auch wenn DESI jetzt Schlagzeilen macht, wissen Wissenschaftler, dass sie fortschrittlichere Tools benötigen, um die Antworten zu finden, nach denen sie suchen. Einige entwickeln die nächste Generation von Instrumenten wie DESI. Minh Nguyen und seine Kollegen konzentrieren sich jedoch darauf, unser Verständnis der Daten zu optimieren, die wir jetzt – und in Zukunft – erhalten.
„Wenn wir auf größere und bessere Teleskope umsteigen, verwerfen wir möglicherweise auch mehr Informationen“, sagte Nguyen, der als Leinweber Research Fellow am Department of Physics der UM die Arbeit leitete. „Während wir mehr Daten sammeln, können wir auch versuchen, mehr aus den Daten herauszuholen.“
Gemeinsam mit Kollegen am Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPA) arbeitete Nguyen mit einem Rechenrahmen namens LEFTfield, um die Art und Weise zu verbessern, wie Wissenschaftler die großräumige Struktur des Kosmos analysieren.
„Im frühen Universum war die Struktur eine Gaußsche Struktur – wie die statische Aufladung, die man auf alten Fernsehgeräten sehen konnte“, sagte Nguyen. „Aber aufgrund des Zusammenspiels zwischen dunkler Energie und dunkler Materie ist die großräumige Struktur des heutigen Universums nicht mehr gaußförmig, sondern eher wie ein Spinnennetz.“
Dunkle Energie treibt die Expansion des Universums voran, Forscher können sie jedoch nicht direkt beobachten, daher der „dunkle“ Teil ihres Namens. Die Materie des Universums wirkt dieser Expansion mit ihrer Anziehungskraft der Schwerkraft entgegen.
Diese Materie gibt es in zwei verschiedenen Varianten: die reguläre Materie, die wir beobachten und mit der wir interagieren können, und die dunkle Materie, die wir nicht können – daher wiederum der „dunkle“ Teil.
Erschwerend kommt hinzu, dass der überwiegende Teil der Massen- und Energiebilanz des Universums in diesen mysteriösen dunklen Wesenheiten verankert ist. Das Studium von Karten des Universums kann somit neue Möglichkeiten eröffnen, die dunkle Energie und dunkle Materie zu erforschen, die maßgeblich für seine netzartige Struktur verantwortlich sind.
Mit LEFTfield zeigten Nguyen und seine Kollegen, dass sie noch mehr Informationen aus vorhandenen kosmischen Karten extrahieren können. Sie veröffentlichten ihre Studie in der Zeitschrift Physical Review Letters, die auch mit dem Buchalter Cosmology Prize 2024 ausgezeichnet wurde.
Um diese zusätzlichen Informationen zu erhalten, hat das Team die bestehenden Standardmethoden nicht weiterentwickelt, die sich als sehr wertvoll erwiesen haben. Vielmehr verfolgten sie einen grundlegend anderen Ansatz.
Aus dem LINKEN Feld
Der Hauptunterschied besteht darin, wie LEFTfield Daten im Vergleich zu Standardansätzen sieht.
„Mit einer Standardanalyse kann man grundsätzlich nicht mit den Daten arbeiten, wie sie sind. Die Leute müssen sie komprimieren“, sagte Nguyen. „Das reduziert die Komplexität der Analyse und macht es einfacher, theoretische Vorhersagen zu treffen, aber der Nachteil ist, dass dabei einige Informationen verloren gehen.“
Für die Standardanalyse verwenden Forscher Rechenmodelle, die sich durch die Galaxien bewegen und sie in Paare oder Tripel gruppieren, um statistische Messungen und Berechnungen effizienter zu gestalten.
Dies funktioniere sehr gut für die eher Gaußschen Merkmale des Universums, sagte Nguyen. Aber er und seine Kollegen sahen eine Chance, das Verständnis unseres nicht-Gaußschen Universums weiter voranzutreiben, indem sie Informationen, die die Standardmethoden auslassen, durch Komprimierung beibehalten.
Der neue Ansatz, der auch Inferenz auf Feldebene genannt wird, behandelt kosmische Karten als 3D-Gitter. Dann wird jeder konstituierende Würfel oder Voxel – das 3D-Gegenstück eines Pixels – zu einem Arbeitsdatenelement, das unkomprimierte Informationen über die Verteilung und Dichte der Galaxien im Inneren enthält.
Dadurch bleibt die Genauigkeit der Daten auf eine Weise erhalten, die mit den Standardmethoden nicht zugänglich ist, sagte Nguyen.
„Ich liebe die Idee der Inferenz auf Feldebene, weil sie im Prinzip das ist, was wir eigentlich tun wollen“, sagte Shaun Hotchkiss, Moderator der Online-Seminarreihe „Cosmology Talks“. In der Serie waren kürzlich Nguyen und seine Co-Autorin Beatriz Tucci, eine Doktorandin am MPA, zu sehen.
„Wenn wir das Dichtefeld gemessen haben, warum sollten wir dann die darin enthaltenen Informationen komprimieren?“ sagte Hotchkiss. „Natürlich ist es daher schwieriger, Schlussfolgerungen auf Feldebene zu ziehen, aber das hat Bea und Minh nicht aufgehalten und sollte die Community auch nicht aufhalten.“
Um die Leistung von LEFTfield zu bewerten, berechnete das Team einen kosmologischen Parameter namens Sigma-8, der im Wesentlichen die Klumpigkeit des Universums misst, erklärte Nguyen.
Im Vergleich zu Standardansätzen könnte die LEFTfield-Methode des Teams die Sigma-8-Bestimmung um den Faktor 3,5 bis 5,2 verbessern.
„Das ist, als würde man von DESI zum Nachfolger von DESI wechseln“, sagte Nguyen. „Normalerweise würde der Wechsel zwischen zwei Umfragegenerationen 10 bis 20 Jahre dauern.“
Bevor dieser Sprung nach vorne gewagt wird, gibt es jedoch noch viel zu tun. Eine entscheidende Hürde, die es zu überwinden gilt, wird darin bestehen, LEFTfield mit bestimmten Instrumenten zu integrieren und sicherzustellen, dass es versteht, wie sich Rauschen und Eigenheiten der Tools auf die eingehenden Daten auswirken, sagte Nguyen.
Dennoch glaubt er, dass sich der Ansatz als großer Vorteil erweisen wird.
„Es eröffnet wirklich den schnellen Weg, Einblicke in die Dunkle Energie, die Dunkle Materie und die Allgemeine Relativitätstheorie zu erhalten – die Theorie, auf der alles basiert“, sagte Nguyen.
Zum Forschungsteam gehörten auch Fabian Schmidt, ein Kosmologe und Gruppenleiter am MPA, sowie der wissenschaftliche Mitarbeiter Martin Reinecke und Andrija Kosti?, der als Doktorand an dem Projekt arbeitete. Student, dann Postdoktorand.
Nguyen hat kürzlich sein Stipendium an der UM abgeschlossen und ist jetzt wissenschaftlicher Mitarbeiter am Kavli-Institut für Physik und Mathematik des Universums in Tokio.
