ACAI-Gruppe

Die jüngste Entwicklung der Technologie zur Detektion von Gravitationswellen hat ein neues Fenster in den Kosmos geöffnet, mit astrophysikalischen Möglichkeiten, etwas über sonst gut verborgene Populationen kompakter Objekte zu erfahren, und kosmologischen Aussichten, die Expansionsgeschichte des Universums und Einsteins Gravitationstheorie auf neuartige Weise zu testen.

Wir können viel mehr aus Gravitationswellenereignissen lernen, wenn Gegenstücke in anderen Observablen nachgewiesen und wiederholt überwacht werden können. Das 2,1-m-Fraunhofer-Teleskop der LMU am Wendelstein-Observatorium mit seinen gleichzeitigen optischen und Nahinfrarot-Kapazitäten versetzt uns in eine hervorragende Position, solche Studien zu leiten.

Zu diesem Zweck kombinieren wir öffentliche spektroskopische Daten, die neuesten Beobachtungen des Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), großflächige Durchmusterungen mit dem Blanco-Teleskop in Chile, spektroskopische Beobachtungen mit dem Anteil der LMU am Hobby-Eberly-Teleskop in Texas und die schnelle Suche und Nachverfolgung mit Wendelstein, um einige der am schwersten fassbaren astrophysikalischen Phänomene aufzudecken, die bisher beobachtet wurden: Kilonovae von kollidierenden Neutronensternen.

Die Vorwärtsmodellierung photometrischer und spektroskopischer Galaxiendurchmusterungen hat in jüngster Zeit Interesse geweckt und gilt als eine der wichtigsten Methoden, um die erforderliche Präzision bei der Schätzung der Rotverschiebungsverteilung n(z) der Galaxie zu erreichen. Diese Kalibrierung von Galaxiendistanzen ist eine entscheidende Zutat, die es kosmologischen Untersuchungen der nächsten Generation ermöglichen wird, die kosmologischen Parameter mit beispielloser Genauigkeit zu messen durch Messung des schwachen Gravitationslinseneffekts. Der Vorwärtsprozess umfasst die detaillierte Modellierung aller an einer Durchmusterung beteiligten Aspekte: vom eingegebenen Galaxienpopulationsmodell bis zur genauen Simulation von Bildern, Spektren und zugehörigen Auswahleffekten. Der Vorwärtsmodellierungsprozess ist konstruktionsbedingt eine stark datengesteuerte Methode, daher ist der Vergleich mit realen photometrischen und spektroskopischen Daten von entscheidender Bedeutung.

ACAI-Forscher sind an allen Aspekten dieser Bemühungen beteiligt:

• die Entwicklung von Erweiterungen des in Tortorelli+20,21 entwickelten datengesteuerten Galaxienpopulationsmodells, die realistische spektrale Energieverteilungen umfassen, die aus Sternpopulationssynthesemodellen generiert werden;
• die Simulation von Durchmusterungsbildern und -spektren (USpec 2, Tortorelli et al. in Vorbereitung), die in realen Daten vorhandene Beobachtungs- und Instrumenteneffekte einbezieht und es ACAI-Forschern ermöglicht, die Umfrageauswahlfunktionen zu charakterisieren;
• der Vergleich des gebauten Vorwärtsmodells und der KI-gestützten Emulation der Beobachtungen mit modernsten astronomischen Daten durch die Beteiligung der ACAI-Gruppe an allen weltbesten photometrischen und spektroskopischen Untersuchungen, nämlich Rubin-LSST, Euclid, DES, DESI und 4MOST.

Das holographische Prinzip hat sich als eine der herausragendsten vermuteten Eigenschaften einer späteren Theorie der Quantengravitation herausgestellt. In seiner einfachsten Version, anwendbar im Bereich der schwachen Schwerkraft und für sphärisch symmetrische raumähnliche Volumina R, besagt das Prinzip, dass die maximale Entropie, welche innerhalb von R lokalisiert werden kann, der Grenzfläche dieser geteilten Region geteilt durch das Vierfache der Planck-Fläche entspricht.

Eine solche Grenze ist mit der Standard-Quantenfeldtheorie (QFT) nicht kompatibel, was bedeutet, dass unser Standardmodell der Teilchenphysik in fundamentalem Widerspruch zu einer zentralen Vermutung der meisten Ansätze zur Quantengravitation steht. ACAI-Forscher arbeiten daran, dieses Problem mithilfe von modifizierten Versionen der QFT zu lösen, in denen das holographische Prinzip und die damit verbundenen Eigenschaften von Anfang an eingebaut sind.

Die ersten Errungenschaften dieses Programms sind

• Die Entwicklung einer Version der Skalarfeldtheorie, die in einem endlichdimensionalen Hilbert-Raum existiert, und die Erkenntnis, dass sich die Skalenabhängigkeit der Felddimensionalität direkt auf die Zustandsgleichung der Vakuumdichteenergie auswirkt (Friedrich et. al 2022);
• Die Konstruktion holographischer Fermionfelder mithilfe überlappender Freiheitsgrade und die Ableitung der endlichen Lebensdauer ebener Wellen in solchen Feldern (Friedrich et al. 2024). Die Kombination dieser Ergebnisse mit Neutrinoemissionen aus entfernten kosmologischen Quellen hat es uns ermöglicht, ein Schlüsselprinzip der Quantengravitation direkt anhand von Beobachtungsdaten zu testen.

Der Lyman-α-Wald ist ein charakteristisches Absorptionsmerkmal, das durch das dazwischenliegende intergalaktische Medium (IGM) in die Spektren von Quasaren mit hoher Rotverschiebung eingeprägt wird. Aufgrund einer breiten Palette kosmischer Skalen, die dieses Merkmal erzeugen, kann die Entwicklung physikalischer Prozesse im IGM (z.B. Erwärmung während die Endphase der Reionisierung) und kosmologischer Parameter (z.B. durch Materieclusterung auf Mpc-Skalen) mit hoher Genauigkeit getestet werden. Insbesondere mit dem Beginn großer spektroskopischer Untersuchungen (z. B. BOSS und DESI), bei denen Hunderte von Quasarspektren beobachtet werden, ist der Lyα-Wald zu einem Hauptindikator für die kosmische Physik bei 2<z<6 herangewachsen.

Hier untersuchen wir die Astrophysik des intergalaktischen Mediums unter Verwendung sowohl traditioneller Summary-Statistikansätze als auch modernster KI-basierter Feldebeneninferenz und nutzen dabei die gesamte in den Spektren verfügbare Information. Wir verwenden große hydrodynamische Simulationen, um die Lyα-Absorption im Verlauf der kosmischen Geschichte zu modellieren und nutzen Bayessche Statistik zur Durchführung von Parameterinferenzen.

Wir sind auch an Messungen von Lyα-Zusammenfassungen aus der DESI-Durchmusterung sowie an der kosmologischen Interpretation dieser Daten beteiligt. Insbesondere in Kombination mit Messungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds ermöglichen die zusätzlichen kleinräumigen Informationen und die Rotverschiebungsentwicklung, die in der Absorption verfügbar sind, enge Grenzen für die Masse von Neutrinos und Kandidaten für Teilchen der Dunklen Materie oder für Inflationsszenarien.

Moderne kosmologische Beobachtungen scheinen drei mysteriöse, kaum verstandene Bestandteile des Standardmodells der Kosmologie zu erfordern: Wir brauchen einen noch unbestimmten Mechanismus der kosmischen Inflation, um die anfänglichen Zustände des Universums zu erklären. Wir brauchen eine völlig neue (und seltsamere) Materiekomponente, um den beobachteten Gravitationskollaps großräumiger Dichteschwankungen zu erklären, und wir brauchen eine völlig neue (und noch seltsamere) Energiekomponente, um die kosmische Expansionsgeschichte zu erklären.

Das Gebiet der großräumigen Strukturkosmologie (LSS), das die statistischen Eigenschaften und die zeitliche Entwicklung großräumiger Dichtefluktuationen der Dunklen Materie und der leuchtenden Materie, die diese Fluktuationen sichtbar macht, untersucht, ist eines der vielversprechendsten Bereiche, um mehr über diese drei Grenzen der modernen Physik herauszufinden.

Bisher war der Modus des größten Teils der LSS-Kosmologie der folgende: Betrachten Sie verschiedene kosmische Dichtefelder – d.h. das Galaxien-Dichtefeld oder das Feld des kosmologischen Gravitationslinseneffekts (cosmic shear), welcher ein direkter Indikator für die Massendichte ist - und messen Sie die Varianz der Fluktuationen dieser Felder als Funktion des Glättungsmaßstabs und der Zeit. Diese Varianzen – bzw. die äquivalenten 2-Punkt-Korrelationsfunktionen dieser Felder – werden dann mit Vorhersagen des kosmologischen Standardmodells verglichen. Ein großes Hindernis für das 2-Punkt-Funktionsprogramm ist die Tatsache, dass wir nur ein Universum beobachten können. Das bedeutet, dass wir den Informationsgehalt der 2-Punkte-Statistik nicht durch einfaches „längeres Beobachten“ beliebig steigern können. Es ist der aktuelle Konsens in der LSS-Gemeinschaft (und wir stimmen diesem Konsens zu), dass selbst die bevorstehenden All-Sky-Galaxiendurchmusterungen wie Euklid und LSST-Standardanalysetechniken keine schlüssigen Informationen über die drei oben genannten Rätsel liefern werden.

Deshalb müssen wir kosmische Dichtefelder über ihre Varianzen hinaus verstehen. Der ACAI-Lehrstuhl steht an der Spitze dieser Entwicklung. Durch sowohl theoretische Arbeit als auch Analysen mit Beobachtungsdaten haben wir zur Entwicklung nicht standardmäßiger Techniken wie der Dichteverteilungsstatistik beigetragen und diese vorangetrieben (Gruen, Friedrich et al. 2016; Friedrich, Gruen et al. 2018; Gruen, Friedrich et al. 2018; Burger, Friedrich et al. 2022; Burger, Friedrich et al. 2023), Shear-Peak-Statistiken (Kacprzak, Kirk, Friedrich et al. 2016), Korrelationsfunktionen höherer Ordnung der kosmischen Scherung (Halder, Friedrich et al. 2021) , Momente höherer Ordnung kosmischer Dichtefelder (Gatti, Chang, Friedrich et al. 2020) und Analysen der vollständigen Form der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (PDF) kosmischer Dichtefluktuationen (Friedrich et al. 2020; Uhlemann, Friedrich et al. 2020; Boyle, Uhlemann, Friedrich et al. 2021; Friedrich et al. 2022; Uhlemann, Friedrich et al. 2023).

Um unsere Bemühungen bei der Modellierung und Analyse der vollständigen Verteilungsfunktion kosmischer Dichteschwankungen zu koordinieren, haben wir kürzlich die PANAMO-Kollaboration (Paris-Newcastle-München-One-Point-Kollaboration) gegründet. Die DFG wird im Laufe des Jahres 2024 Forschungsaufenthalte und einen speziellen Workshop im Rahmen von PANAMO fördern.