Astronomie Der grösste 3D-Bildkatalog des Universums

Ein Team von Astronomen hat den weltweit größten dreidimensionalen astronomischen Bildkatalog erstellt. Er enthält Sterne, Galaxien und Quasare. Der 3D-Katalog umfasst drei Viertel des Himmels, insgesamt drei Milliarden Objekte. Um sie zu unterscheiden, wurde künstliche Intelligenz eingesetzt.

Das Vermessungsbild des Himmels vom Pan-STARRS1 Teleskopen-System auf Haiwaii
Das Vermessungsbild des Himmels vom Pan-STARRS1 Teleskopen-System auf Haiwaii Bildrechte: R. White/STScI

Die Astronomen vom Māno Institute for Astronomy (IfA) an der Universität von Hawaii sind nicht die Ersten, die das Universum vermessen haben. Bereits das Sloan Digital Sky Survey III (SDSS-III) hatte eine dreidimensionale Karte erstellt. Doch diese umfasste nur ein Drittel des bekannten Universums. Der neue Bildkatalog verdoppelt den Umfang und hat sogar Gebiete kartographiert, die vom SDSS übersehen worden waren.

Bereits die alte Vermessung war enorm umfangreich. Über 1,5 Millionen massenreiche Galaxien wurden seit dem Start des Projektes im Jahr 2001 vermessen. Dabei wurden die letzten sechs Milliarden Jahre betrachtet. Das nachfolgende Video zeigt das Ergebnis dieser Vermessung.

Drei Arten von Objekten im Universum

Durch die neue Karte sind nun drei Viertel des Himmels kartographiert und digitalisiert. Sie enthält Sterne, Galaxien und Quasare. Bei Sternen handelt es sich um massenreiche und selbstleuchtende Himmelskörper. Unser Mond zum Beispiel gehört nicht dazu, er wird von unserer Sonne angestrahlt und reflektiert das Licht - genau so wie die Planeten in unserem Sonnensystem. Selbst beim massenreichen Jupiter reicht es nicht zu einem Stern.

Eine Galaxie ist die Ansammlung vieler astronomischer Objekte, die durch die Gravitation aneinander gebunden sind. Sterne, Planetensysteme, Dunkle Materie, aber auch Gasnebel, Staubwolken und ähnliche astronomische Objekte gehören zu Galaxien. Dabei kann ihr Durchmesser über mehrere hunderttausende Lichtjahre betragen. Ihre Masse umfasst mehrere Milliarden bis Billionen an Sonnenmassen.

Gashalos überlagert von einem älteren Bild einer Galaxiefusion.
Dieses Bild zeigt einen der Gashalos, die mit dem MUSE-Instrument auf dem Very Large Telescope der ESO neu beobachtet wurden. Es wird überlagert von einem älteren Bild einer Galaxiefusion, die mit dem ALMA-Instrument beobachtet wurde. Die großflächige Ansammlung von Wasserstoffgas ist blau, die ALMA-Daten orange dargestellt. Dieses Halo ist an die Galaxie gebunden, die in ihrem Zentrum einen Quasar enthält. Das schwache, glühende Wasserstoffgas ist die perfekte Nahrungsquelle für das supermassive Schwarze Loch in der Mitte des Quasars. Die Objekte in diesem Bild haben eine Rotverschiebung von 6.2. Wir sehen sie also so, wie sie vor 12,8 Milliarden Jahren waren. Während Quasare hell sind, sind die Gasspeicher um sie herum viel schwieriger zu beobachten. MUSE konnte das schwache Glühen des Wasserstoffgases in den Halos erkennen. Bildrechte: MDR/ESO/Farina et al.; ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Decarli et al.

Quasare sind Schwarze Löcher, die von einer großen Menge an Gas umgeben sind. Sie befinden sich in den Zentren von Galaxien und sind so hell, dass sie bis ans Ende des Universums scheinen. Das liegt an der gigantische Menge an Strahlung, die sie freisetzen. Diese übertrifft manchmal sogar die Strahlung anderer Galaxien. Doch nicht jede Galaxie besitzt zwangsläufig einen aktiven Kern (einen Quasar). 

Mit künstlicher Intelligenz zum Ziel

Für den neuen Atlas griffen die Astronomen auf öffentlich verfügbare spektroskopische Messungen zurück. Die Daten stammen zum einen vom Panorama-Vermessungsteleskop und Schnellreaktionssystem der Universität von Hawaii, zum anderen vom bodengebundenen Teleskop-System Pan-STARRS1 (PS1) auf Haleakala, einem Schildvulkan auf der hawaiianischen Insel Maui.

Diese wunderschöne Karte des Universums bietet ein Beispiel dafür, wie die Leistung des Pan-STARRS-Big-Data-Datensatzes mit Techniken der künstlichen Intelligenz und ergänzenden Beobachtungen multipliziert werden kann.

Ken Chambers, Direktor von PanSTARRS University of Hawai'i News

Karte der Dichte des Universums für Galaxien zwischen 1,5 und 3 Milliarden Lichtjahren entfernt
Karte der Dichte des Universums für Galaxien zwischen 1,5 und 3 Milliarden Lichtjahren entfernt. Bildrechte: Róbert Beck/Mikulski Archive for Space Telescopes

Die Daten enthalten unter anderem eine Klassifizierung der Objekte und ihre Entfernung. Ohne Hilfsmittel wäre diese gewaltige Informationsmenge nicht zu bewältigen gewesen.

Mithilfe eines hochmodernen Optimierungsalgorithmus nutzten wir den spektroskopischen Trainingssatz von fast vier Millionen Lichtquellen, um dem neuronalen Netzwerk die Vorhersage von Quellentypen und Galaxienentfernungen beizubringen und gleichzeitig die Lichtauslöschung durch Staub in der Milchstraße zu korrigieren.

Robert Beck, leitende Studienautor University of Hawai'i News

Der Einsatz von künstlicher Intelligenz half schließlich dabei, die Daten aufzuschlüsseln. Die KI erzielte dabei eine sehr hohe Trefferquote. Bei der Schätzung der Entfernungen von Galaxien war sie bis auf fast drei Prozent genau. Auch bei der Klassifizierung von anderen Objekten erzielte die KI eine hohe Genauigkeit:

  • 98,1 Prozent für Galaxien
  • 97,8 Prozent für Sterne
  • 96,6 Prozent für Quasare

Das könnte sich in Zukunft noch verbessern. Das Pan-STARRS sammelt nämlich kontinuierlich neue Daten. Durch das maschinelle Lernen können weitere „Informationen über erdnahe Objekte, unser Sonnensystem, unsere Galaxie und unser Universum“ entschlüsselt werden, schwärmt Ken Chambers. Er ist Direktor von PanSTARRS. Irgendwann könnte dadurch ein vollständiger Galaxien-Katalog entstehen.

Zu den 3D-Bildkatalogen 

Den 3D-Katalog findet man über das Mikulski-Archiv für Weltraumteleskope.

Den 3D-Katalog von SDSS findet man unter der
Homepage des Sloan Digital Sky Survey.

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Das Schwarze Loch M 87* im geometrischen Modell und aufgenommen von EHT-Teleskopen in den Jahren 2009 bis 2017. Der Durchmesser der Ringe ist gleich, nur die hellen Stellen variieren. mit Video
Das Schwarze Loch M 87* im geometrischen Modell und aufgenommen von EHT-Teleskopen in den Jahren 2009 bis 2017. Der Durchmesser der Ringe ist gleich, nur die hellen Stellen variieren. Bildrechte: M. Wielgus, D. Pesce & the EHT Collaboration