Data Science in der Astrophysik
Computergestützte Rechenmethoden gewinnen beständig an Wichtigkeit in allen Bereichen der Wissenschaft. Ebenso in der Astronomie. Dort ist Computational Science eines der bedeutendsten Mittel, um das Universum seit seinem Anfang bis zu seiner heutigen großräumigen Struktur nachzubilden: das Kosmische Netz mit all seinen Galaxien. Um mithalten zu können, wurde am Institut für Astrophysik Wien die Data-Science-Gruppe ins Leben gerufen. Unter der Leitung von Prof. Oliver Hahn und in Zusammenarbeit mit der Wiener Fakultät für Mathematik.Im Mittelpunkt der Forschung liegen die Kosmologie und die großräumige Struktur des Weltalls.
Cosmic web.
Um die Entwicklung dieser Form zu untersuchen, müssen Dunkle Materie und auch die Dunkle Energie berücksichtigt werden. Dunkle Materie ist weder für uns sichtbar, noch kann sie von herkömmlichen Detektoren erkannt werden, da sie nicht mit Licht wechselwirkt. Allerdings zeigt sie sich in der Entstehung von Strukturen und dem Verhalten von großen Himmelskörpern, und zwar über den Einfluss ihrer Gravitation. Im frühen Universum haben Klumpen Dunkler Materie die normale Materie, Baryonen, angezogen. Sobald diese sogenannten Halos massereich genug waren, kollabierten sie. Daraus wurden erste Sterne und Galaxien geboren. Im Verlauf der nächsten 13.5 Milliarden Jahre ordneten sie sich in heutige Form des Universums an, während dieses sich immer noch weiter ausdehnt.
Beobachtungsdaten aus Himmelsdurchmusterungen können den Aufbau des Kosmischen Netzes abbilden. Seine Entwicklung wird mit kosmologischen Simulationen nachgebildet. Dafür wird ein Supercomputer mit allen verfügbaren Daten aus Beobachtungen, Theorien und mathematischen Berechnungen gefüttert. Verschiedene Ansätze, wie zum Beispiel statistische Methoden und Machine Learning bzw. Deep Learning werden zur Überprüfung über den Code gelegt. Die Simulationen starten typischerweise zu einem Zeitpunkt, der nahe am Urknall liegt und laufen bis in die Gegenwart. Hier werden dann die Werte von kosmologischen Parametern ausgelesen und mit den Ergebnissen aus den Beobachtungen verglichen. Dabei gilt es zu beachten, dass der genaue Aufbau im frühen Universum nicht zu hundert Prozent geklärt ist, es sind nur Einzelheiten aus der Entwicklung des Weltalls bekannt. Immerhin waren wir damals nicht vor Ort und selbst Beobachtungen liefern nur Bruchstücke. Daher bieten Simulationen einen Weg, gängige Theorien zum bekannten Universum zu überprüfen.
Forschungsgruppe Oliver Hahn
Einerseits geht Prof. Hahns Gruppe genau diesen Anfangsbedingungen nach, die das frühe Universum geregelt haben und die jeder Simulation ihren Startpunkt geben. Der Beitrag der Gruppe erhöht dabei die Genauigkeit von bereits vorhandenen kosmologischen Simulationen. Hier profitieren nicht nur großräumige Simulationen, sondern auch kleinere Zoom-in-Programme. Beide Arten verbessern Galaxiensimulationen und unser Verständnis von der Welt, in der wir leben. Andererseits entwickelt die Gruppe ausgefeiltere Simulationstechniken für die Dunkle Materie und das intergalaktische Gas. Ziel ist es, die Simulationen sowohl präziser als auch effizienter zu machen. Dafür werden astrophysikalische Modellierungen als auch fortgeschrittenes Codieren für Parallelrechner benötigt.
Programmierfertigkeiten sind immer höher im Kurs in der Forschung und in der Privatindustrie, für junge Menschen bieten sich hier astronomisch viele Karrieremöglichkeiten. Allerdings gibt es auch hier eine Geschlechterkluft. Bereits ab der Sekundarstufe in Schulen, werden Mädchen in der Informatik oft nicht so stark gefördert wie ihre Mitschüler. Die Data-Science-Gruppe möchte hier ansetzen und jungen Frauen die Möglichkeit bieten auf Hochschulebene ihre Fähigkeiten im Programmieren zu stärken und vertiefen.
Durch die Fortschritte bei Simulationen hat sich in den letzten Jahrzehnten eine neuer Weg in die Kosmologie gebahnt. Unsere Sicht auf das Universum wird jeden Tag greifbarer und mit immer stärkerer Rechenleistung wird das Gesamtbild klarer. Dazu möchte Prof. Hahns Gruppe beitragen, zum Verständnis der Welt, die uns umgibt. Die Gruppe selbst wächst noch und sucht nach neuen Mitgliedern, die der „Frage nach dem Leben, dem Universum und dem ganzen Rest“ nachgehen wollen.
Geschrieben von Sanje Fenkart