Astronomen von der Universität Tokio und dem Max-Planck-Institut für Astrophysik haben eine neuartige Technik zur Analyse dreidimensionaler Galaxiekarten entwickelt, die verborgene Informationen über dunkle Materie und dunkle Energie aufdeckt. Die Methode, die als 'Feldniveau-Inferenz' (FLI) bezeichnet wird, verwendet fortschrittliche Computeralgorithmen, um die relativen Positionen von Galaxien in einer dreidimensionalen Universumskarte mit detaillierten Simulationen zu vergleichen, die das Wachstum und Verhalten von Galaxien und dunklen Materie-Halos darstellen.
Traditionell führten Astronomen Galaxienumfragen durch, indem sie tiefen Raumaufnahmen auf Fotoplatten festhielten und die räumliche Verteilung von Galaxien in zwei Dimensionen maßen. Sie versuchten, Fragen wie 'Wie nah sind diese Galaxien ihren Nachbarn?' und 'Wie gut sind sie zueinander ausgerichtet?' zu beantworten. Moderne Umfragen haben eine dritte Dimension durch Multi-Objekt-Spektroskopie hinzugefügt, die das Rotverschiebung von Galaxien misst und somit deren Entfernung im sich ausdehnenden Universum bestimmt. Diese Fortschritte ermöglichten die Erstellung dreidimensionaler Karten des Universums, aber Forscher vermuteten, dass dabei wichtige Informationen verloren gingen.
Die neue FLI-Methode arbeitet direkt mit dreidimensionalen Galaxiekarten, die in Computervoxeln—dreidimensionalen Pixeln in einem Gitter—dargestellt sind. Das Team unter der Leitung des Astronomen Minh Nguyen wandte FLI zusammen mit einer Reihe von Algorithmen im LEFTfield-System an, das das Wachstum und die Ansammlung von Galaxien vom frühen Universum bis heute modelliert. Die Ergebnisse zeigten eine Verbesserung der Detailgenauigkeit um das 3- bis 5-fache im Vergleich zu Zwei- und Dreipunkt-Korrelationsfunktionen.
Diese zusätzlichen Informationen könnten Wissenschaftlern helfen, das Standardmodell der Kosmologie zu testen und mögliche Abweichungen zu identifizieren, die das Verständnis des 'dunklen Universums' bereichern könnten. FLI hat das Potenzial, Asymmetrien in den Quantenschwankungen des Urknalls aufzudecken, die zur Bildung von Galaxien führten, oder Anomalien in der gravitativen Evolution von Galaxien zu identifizieren, was möglicherweise neue Einblicke in dunkle Materie oder die Gravitation selbst bietet.
'Mit Zugang zu dem gesamten zugrunde liegenden Feld dunkler Materie, das mit dem beobachteten Galaxienfeld verbunden ist, können wir empfindlicher auf lokale Effekte reagieren,' erklärte Nguyen. Solche lokalen Effekte werden bei der Analyse mit n-Punkt-Funktionen gemittelt.
Der nächste Schritt besteht darin, FLI auf reale Daten von Instrumenten wie dem Dark Energy Spectroscopic Instrument am Kitt Peak National Observatory, dem Subaru Telescope Spectrograph und der Euclid-Mission der Europäischen Weltraumorganisation anzuwenden. Zukünftige Anwendungen sind mit Daten des Vera C. Rubin Observatoriums und des Nancy Grace Roman Space Telescope geplant.
Fabian Schmidt, ein Mitautor der Studie, bemerkte: 'Es ist ziemlich elegant, da wir dunkle Materie nicht direkt beobachten können, und es ergänzt Karten dunkler Materie, die auf der Grundlage von Gravitationslinsen erstellt wurden.'
Diese neue Analysemethode könnte nicht nur das Verständnis der Verteilung der Galaxien im Universum verbessern, sondern auch zu Entdeckungen über die Ursprünge von allem, was wir im Weltraum beobachten, führen.