Das Weltall in 3-D: Ansicht (blau) und Querschnitte (rot) der über die 40.000 möglichen Universen gemittelten, dreidimensionalen kosmischen Karte | Copyright: MPI für Astrophysik, mpa-garching.mpg.deGarching/ Deutschland - Forscher des Max-Planck-Institut für Astrophysik und der Scuola Normale Superiore di Pisa haben mit einem neuen Computeralgorithmus die bisher detailgetreueste Kartografierung des sichtbaren Universums vorgenommen - und das in gleich 40.000 Varianten. Jede dieser Versionen zeigt ein mögliches Universum, basierend auf den bekannten Galaxien. Die dabei entstandenen Karten vereinen das momentane Wissen über die beobachteten kosmischen Strukturen. Zugleich offenbaren ihre Unterschiede, wie die noch unbekannten Regionen des Alls aussehen könnten.
"Die endlosen Weiten des Universums sind erfüllt von Galaxien, deren Milliarden Jahre altes Licht wir heute in unseren Teleskopen beobachten. Dabei finden wir die fernen Milchstraßensysteme nicht beliebig im All verteilt, sondern sie zeichnen die Konturen eines gigantischen kosmischen Geflechts nach. Dieses Netz besteht aus mysteriöser unsichtbarer dunkler Materie und hat sich über die Äonen aus dem Zusammenspiel vieler physikalischer Phänomene gebildet", erläutern die Garchinger Wissenschaftler um Jens Jasche in ihrer Pressemitteilung.
Der Ursprung dieser Struktur liegt laut den Forschern in den mikroskopischen Quantenfluktuationen, die während der ersten Sekundenbruchteile des Universums auftraten. Sie formte sich in den folgenden fast 14 Milliarden Jahren unter dem wesentlichen Einfluss der Gravitation.
Eine exakte Vermessung und Kartografierung gewährt nun sozusagen einen Einblick in die Frühphasen des Weltalls kurz nach dessen Geburt, als der Raum noch mit Strahlung und heißem Plasma erfüllt war und es weder Sterne noch Galaxien gab. Hinzu liefern die Analysen dieser Struktur Aufschlüsse über die Eigenschaften der Materie, über Gravitation und Galaxienbildung sowie über geometrische Eigenschaften von Raum und Zeit.
Bei der Erkundung dieser "Landkarte" mittels Teleskopen aus der Ferne, stören dabei Ungenauigkeiten die Messungen. Besonders lichtschwache Galaxien lassen sich mit zunehmendem Abstand immer schlechter aufspüren, wobei die Information über die kosmische Struktur mit zunehmenden Abständen immer mehr verschwimmt und verschwindet.
"Eine wissenschaftlich gehaltvolle Karte des Weltalls muss daher neben der Darstellung der kosmischen Struktur auch noch Aussagen über deren 'Glaubwürdigkeit' machen. Hierbei wird die Glaubwürdigkeit - gemäß dem Mathematiker Thomas Bayes (1702 bis 1761) - mittels einer Wahrscheinlichkeit quantifiziert, die ausdrückt, wie gut wir das kosmische Netz erkennen können", so die Forscher.
Die Erstellung derartiger Karten bedarf der Durchmusterung von extrem hochdimensionalen Räumen und stellte die Wissenschaft bislang vor ein nicht zu bewältigendes Rechenproblem. Auf der Grundlage der Bayesischen Statistik haben die Forscher nun den Computeralgorithmus HADES (HAmiltonian Density Estimation and Sampling) entwickelt, der es ihnen erlaubt, die dreidimensionalen kosmischen Strukturen zu analysieren und zu bewerten.
"HADES liefert nicht nur eine einzige Karte des Universums, sondern gleich einen ganzen Satz unterschiedlicher Karten, die alle im Mittel die gleichen durch die Beobachtungsdaten aufgezeigten Strukturen zeigen, sich aber in ihren sonstigen Details unterscheiden." Jede Karten zeigt also eines von zahlreichen möglichen, auf diesen Daten basierenden Universen.
Legt man die Karten übereinander, zeichnen sich Strukturen ab, wie sie in vielen oder gar allen Karten zugleich vorkommen und somit glaubwürdiger sind als Strukturen, die sich nur in einigen wenigen Karten finden. Der gesamte Kartensatz liefert also die Information über die Vertrauenswürdigkeit aller kartografierten Strukturen und erlaubt eine vernünftige wissenschaftliche Analyse.
Die neue Analyse der auf Grundlage der den Galaxiendaten der "Sloan Digital Sky Survey" umfasst ein würfelförmiges Gebiet mit einer Seitenlänge von mehr als 2,1 Milliarden Lichtjahren.
Das neue kosmische Kartenmaterial erlaubt den Forschern nun eine weitergehende Analyse der Galaxien- und Strukturentstehung sowie die Vorhersage vieler physikalischer Effekte, die mittels der Mission des Satelliten Planck oder dem Radiointerferometer LOFAR gemessen und bestätigt werden können.
Anhand zukünftiger Beobachtungen der Galaxienverteilung erhoffen sich die Wissenschaftler noch weitaus größere und detailliertere kosmische Karten erstellen zu können.
