Startschuss für die Erforschung des unsichtbaren Universums

Mit dem Raketenstart am 1. Juli um 11:12 Ortszeit in Florida (17:12 MEZ) beginnt die Euclid-Mission der Europäischen Raumfahrtagentur ESA, um die dunkle Materie und dunkle Energie des Universums zu erforschen. Auch die Forschungsteams von Tim Schrabback und Francine Marleau an der Universität Innsbruck sind maßgeblich an dem Projekt beteiligt und beschäftigen sich mit der Vorbereitung für die Mission und der Auswertung der Ergebnisse.

Das Weltraumteleskop mit 1,2 Metern Durchmesser soll über die nächsten Jahre die größte und genauste 3D-Karte des Universums erstellen und Milliarden von Galaxien beobachten, die bis zu 10 Milliarden Lichtjahre entfernt liegen. Anhand dieser Karte kann Euclid offenlegen, wie das Universum sich nach dem Urknall ausgedehnt hat und wie sich die Strukturen im Universum entwickelt haben. Dies wird Wissenschaftler:innen mehr Anhaltspunkte geben, um die Rolle der Schwerkraft und das Wesen von dunkler Energie und dunkler Materie besser zu verstehen.

Was sind dunkle Materie und dunkle Energie?

Die Lichtquellen des Universums, also Planeten, Sterne, Galaxien und Gase, werden seit Jahrhunderten erforscht. 95% des Universums aber besteht aus unbekannten und unsichtbaren Größen, die die Verteilung und Bewegung der Objekte im Universum beeinflussen. Diese werden von Wissenschaftler:innen als dunkle Energie und dunkle Materie bezeichnet. Was genau diese Größen eigentlich sind, weiß aber niemand. Dunkle Energie und dunkle Materie zu verstehen, ist eine der größten heutigen Herausforderungen der Physik.

Wichtige Beteiligung der Universität Innsbruck

Das Forschungsgebiet von Tim Schrabbacks Arbeitsgruppe ist die extragalaktischen Astrophysik und Kosmologie. Francine Marleau erforscht mit ihrer Gruppe die Entstehung und Entwicklung von Galaxien. Gemeinsam sind die Teams intensiv an den Vorbereitung der Euclid-Mission beteiligt und werden auch bei der Auswertung der Messungen wichtige Aufgaben übernehmen. Dabei befassen sie sich mit vielzähligen Aufgaben:

Bildkalibrierung: Alle Materie, auch die dunkle, verzerrt die Bilder von Galaxien wie durch eine Lupe. Das nennt sich Gravitationslinseneffekt. Um den Grad der Verzerrung zu bestimmen, müssen die Formen der beobachteten Galaxien bestimmt werden. Da diese Galaxien oft nur wenige Pixel groß und teilweise sehr lichtschwach sind, ist es nicht so einfach, Formen akkurat zu messen. Die hierfür angewandten Verfahren müssen an hochgradig realistischen Bildsimulationen kalibriert werden. Dies ist das Hauptthema zweier FFG/BMK-geförderter Projekte an der Universität Innsbruck: „Beispielsweise optimieren wir Verfahren zur realistischen Darstellung von Galaxienbildern und testen hierfür auch den Einsatz KI-gestützter Algorithmen“, erklärt Doktorand Benjamin Csizi. „Ebenso untersuchen wir Methoden, die den enormen Bedarf derartiger Simulationen an Rechenleistung und somit Energie reduzieren“, ergänzt Henning Jansen, ebenfalls Doktorand in der Arbeitsgruppe von Tim Schrabback.

Kosmologie mit dem Gravitationslinseneffekt: Aus den gemessenen Galaxienbild-Verzerrungen können kosmologische Parameter bestimmt werden, die die Ausdehnung und Entwicklung des Universums beschreiben, insbesondere die Menge an dunkler Materie sowie die Dynamik von dunkler Energie. Um von den beobachteten Galaxien zu diesen Parametern zu kommen, müssen jedoch ganze Kataloge an Galaxien statistisch ausgewertet und mit Modellen verglichen werden. Diese statistischen Methoden werden in Innsbruck im Rahmen eines neuen, von der Postdoktorandin Laila Linke geleiteten FWF/ESPRIT-Projekts mitentwickelt und durch realistische Simulationen getestet.

Kosmologie mit Galaxienhaufen: Die kosmologischen Parameter können auch mithilfe von Galaxienhaufen bestimmt werden. Diese sind Gebilde von hunderten bis tausenden von Galaxien, mit etwa 10¹⁴Sonnenmassen. „Die Anzahl dieser Galaxienhaufen pro Masse bestimmt, wie sich im Universum komplexe Strukturen gebildet haben. Mit Euclid und dem Gravitationslinseneffekt können wir die Masse der Haufen abschätzen und mit kosmologischen Modellvorhersagen vergleichen“, erklärt Sebastian Grandis, Senior Scientist am Institut für Astro- und Teilchenphysik der Universität Innsbruck.

Galaxienentstehung im “lokalen Universum”: Die Empfindlichkeit, räumliche Auflösung und Wellenlängenabdeckung von Euclid machen es zu einer idealen Einrichtung, um die Eigenschaften von Galaxien im Detail zu untersuchen. Die Arbeitsgruppe von Francine Marleau konzentriert sich hierbei insbesondere auf Zwerggalaxien und Galaxien mit geringer Oberflächenhelligkeit. Diese Zwerggalaxien sind besonders interessant, weil ihre Entstehung und Entwicklung noch nicht gut beschrieben sind. Außerdem können mit ihnen Fragen zur Entstehung der ersten Sterngeneration, dem Wachstum von schwarzen Löchern und den Eigenschaften Dunkler Materie untersucht werden.

Zitate

„Dunkle Materie und Dunkle Energie machen 95% des Energie- und Materieinhalt des Universums aus – und dennoch wissen wir nicht was sie sind. Gerade die dunkle Energie ist faszinierend, denn sie bestimmt, wie sich das Universum ausdehnt und welches „Schicksal“ es ereilen wird. Mit Euclid werden mit nie dagewesener Präzision bestimmen können, wie sich Dunkle Energie verhält und damit die Zukunft unseres Universums vorhersagen können.“ (Laila Linke, Postdoktorandin am Institut für Astro- und Teilchenphysik und Projektleiterin)

„In der Vergangenheit revolutionierte das berühmte Weltraumteleskop Hubble die Astronomie und Astrophysik mit seinen scharfen Bildern, die nicht durch die Luftunruhe der irdischen Atmosphäre verwaschen werden. Das Neue an Euclid ist das 180-fach größere Gesichtsfeld im Vergleich zu Hubble. Damit kann Euclid erstmals ähnlich scharfe Bilder für einen großen Teil des Himmels gewinnen. Diese Daten werden für eine Vielzahl an Forschungsfeldern innerhalb der Astronomie und Astrophysik von unschätzbarem Wert sein.“ (Francine Marleau, assozierte Professorin am Institut für Astro- und Teilchenphysik und Forschungsgruppenleiterin)

„Der Gravitationslinseneffekt ist die einize Methode, die es uns erlaubt, die Massenverteilung im Universum direkt zu kartieren. In diesem Kontext wird Euclids Datensatz alle bisherigen Programme um wenigstens einen Faktor 10 übertreffen. Dies eröffnet enorme Chancen, um die Geheimnisse des Kosmos besser zu verstehen. Gleichzeitig stellt es uns aber vor die Herausforderung, unsere Analyseverfahren derart zu verfeinern, dass sie mit den Anforderungen dieser erhöhten Genauigkeit mithalten können. Wir freuen uns, in diesem Kontext wesentliche Beiträge zum Gelingen der Euclid-Mission aus Innsbruck liefern zu können.“ (Tim Schrabback, Professor am Institut für Astro- und Teilchenphysik und Arbeitsgruppenleiter ).