Eines der bestgehüteten Geheimnisse des Universums enthüllen
Wir wissen bereits, dass das Universum aus schweren subatomaren Teilchen, den Baryonen, besteht. Planeten, Kometen, Asteroiden, Sterne, schwarze Löcher – sie alle sind aus baryonischer Materie zusammengesetzt. Was die Astrophysik und die Kosmologie jedoch bisher nicht herausfinden konnten, ist, wo sich die Baryonen befinden. „Wir wissen zwar, dass es sie gibt, aber wir konnten sie noch nicht finden“, sagt Nabila Aghanim, Astrophysikerin und Kosmologin am Institute of Space Astrophysics, das zum Centre Nationale de la Recherche Scientifique und zur Université Paris-Saclay gehört. Mit Unterstützung des EU-finanzierten Projekts ByoPiC arbeiteten Aghanim und ihr Team daran, eines der bestgehüteten Geheimnisse des Universums zu lüften.
Eine Kombination aus Graphentheorie, maschinellem Lernen und statistischer Physik
Der erste Schritt in diesem kosmischen Versteckspiel bestand darin, die Fäden des kosmischen Netzes aufzuspüren. „Wir haben schnell festgestellt, dass mit den vorhandenen Nachweisverfahren die tatsächliche Galaxienverteilung nicht richtig zu erfassen ist“, erklärt Aghanim. „Deshalb haben wir uns dafür entschieden, nicht nur die bereits existierenden Methoden zu nutzen, sondern auch eigene zu entwickeln.“ Das Ergebnis ist T-ReX, ein Algorithmus, der Graphentheorie, maschinelles Lernen und die Prinzipien der statistischen Physik miteinander kombiniert. „Im Gegensatz zu anderen Verfahren kann T-ReX direkt auf die tatsächliche Galaxienverteilung angewandt werden“, fügt Aghanim hinzu. Um die versteckten Baryonen zu finden, mussten zudem Himmelskarten hinzugezogen werden. Da nichts Vorhandenes den Bedürfnissen des vom Europäischen Forschungsrat (ERC) unterstützten Projektteams entsprach, nahmen die Forschenden das Problem erneut selbst in die Hand. Im Einzelnen wurde eine neue Planck-Sunyaev-Zeldovich-Karte entworfen, die genau ihren Anforderungen entspricht.
Fehlende Baryonen in den Fäden des kosmischen Netzes gefunden
Anhand dieser Algorithmen und Karten begannen nun die Forschenden, den Himmel abzusuchen. Sie fanden tatsächlich Beweise für die fehlenden Baryonen in den Filamenten des kosmischen Netzes, wo sie die Form von heißem oder warmem ionisiertem Gas annehmen. Das kosmische Netz besteht aus dunkler Materie, Gas und Galaxien. Aghanim zufolge stellte diese Entdeckung ein bahnbrechendes Ergebnis für die Kosmologie dar und war der entscheidende Moment innerhalb des Projekts ByoPiC. „Seit den 1990er Jahren haben Simulationen gezeigt, dass die fehlenden Baryonen in Umgebungen des kosmischen Netzes, die eine geringe Dichte aufweisen, wie z. B. in Filamenten, zu finden sein sollten“, berichtet Aghanim. „Unsere Forschung hat diese langgehegte Vermutung endlich bestätigt.“ Weitere wichtige Projektergebnisse sind die Charakterisierung der Eigenschaften von Filamenten in numerischen Simulationen und neue Erkenntnisse über den Einfluss des kosmischen Netzes auf die Eigenschaften von Galaxienhaufen und -gruppen. Die Forschenden enthüllten zudem die kosmologischen Informationen, die in Elemente des kosmischen Netzes zu finden sind.
Risiken einzugehen, kann in bahnbrechenden wissenschaftlichen Entdeckungen münden
Aghanim erzählt, dass sie bereit war, darauf zu wetten, dass der Schlüssel zur Entdeckung der fehlenden Baryonen des Universums in der Kombination komplementärer Daten liegt. Dank der ERC-Finanzhilfe konnte sie diese Wette abschließen. „Es war definitiv ein Risiko, aber wie unsere bahnbrechenden Entdeckungen zeigen, müssen manchmal Risiken eingegangen werden, um den Status quo zu überwinden“, schließt Aghanim. Aufbauend auf der bahnbrechenden Projektarbeit von ByoPiC arbeiten Aghanim und ihr Team nun daran, ihre Forschung auf Bereiche wie die Bestimmung des Anteils fehlender Baryonen in den größten kosmischen Netzstrukturen auszuweiten. Außerdem wollen sie einige der im Rahmen des Projekts entwickelten Instrumente und Technologien an den Einsatz in der biomedizinischen Bildgebung anpassen.
Schlüsselbegriffe
ByoPic, Universum, Baryonen, Planeten, Kometen, Asteroiden, Sterne, schwarze Löcher, baryonische Materie, Astrophysik, Kosmologie, Graphentheorie, maschinelles Lernen, statistische Physik, kosmisches Netz, Galaxie