Galaktische Archäologie: Wie Astronomen die Geschichte der Milchstraße entschlüsseln

Was Archäologen mit Relikten der Vergangenheit tun, leisten Astrophysiker neuerdings auch im All. Anhand riesiger Datenmengen versuchen sie, die Geschichte von Galaxien zu rekonstruieren. Die sogenannte galaktische Archäologie kann anhand der Sternbewegung, des -alters und der chemischen Zusammensetzung bestimmen, wie sich unsere Heimatgalaxie entwickelt hat.

Im Zentrum steht die Frage, wie die Milchstraße über 13 Milliarden Jahre hinweg gewachsen ist. Anders als bei Ausgrabungen auf der Erde bestehen die Artefakte hier aus Lichtsignalen ferner Sterne, die in gewaltigen Himmelsdurchmusterungen gesammelt werden.

Die Milchstraße ist aus deutlich unterscheidbaren Strukturen zusammengesetzt: aus einem Halo, einer zentralen Ausbuchtung mit einem Balken sowie aus einer dicken und dünnen Scheibe. In dieser dünnen Scheibe, die vor 8 bis 10 Milliarden entstanden sein soll, befinden sich die meisten Sterne und folgen einer gleichmäßigen Rotation um das galaktische Zentrum. Auch unsere Sonne, die vor circa 4,6 Milliarden Jahre entstanden sein soll, gehört dazu.

Die galaktische Archäologie orientiert sich meist an sehr metallarmen, alten Sternen, die sich gebildet haben müssen, als das Universum noch keine schweren Metalle aufwies, sondern nur aus Wasserstoff und Helium bestand. Die schweren Elemente wie Eisen wurden dann erst später durch Sternexplosionen erzeugt und verteilt.

Algorithmen, die Teleskope der Zukunft?

Für ein neues Forschungsvorhaben wollen Dr. Tobias Buck und Dr. William Oliver, beide vom Interdisziplinären Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen und vom Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg, neuartige Algorithmen entwickeln, welche die Daten großer Himmelsdurchmusterungen deutlich exakter abbilden als bisher. Das Vorhaben wird mit knapp einer Million Euro von der DFG gefördert, darüber hinaus vom Nexus-Programm der Carl-Zeiss-Stiftung.

Im Kern des Projekts steht die Anwendung sogenannter Clustering-Algorithmen. Die sollen unterschiedliche stellare Strukturen identifizieren und zugleich Messunsicherheiten berücksichtigen, etwa in Datensätzen der Gaia-Mission der Europäischen Weltraumorganisation.

„Mit Methoden der computergestützten Astrophysik wollen wir beispielsweise zerstörte Satellitengalaxien quantifizieren, die zum Aufbau der halo-artigen Struktur um die Milchstraße herum beigetragen haben“, erklärt Dr. Buck. Anhand solcher Überreste früherer Kollisionen kann das galaktische Wachstum sehr gut nachvollzogen werden.

Kosmische Akkretion verstehen

Galaxien wachsen nicht gleichmäßig, sondern durch die gravitative Ansammlung von Materie (Akkretion). Kleinere Begleitgalaxien werden eingefangen und zerreißen unter den Gezeitenkräften – ihre Sterne verteilen sich im Halo der großen Galaxie. Aus heutigen Beobachtungsdaten sollen deshalb Rückschlüsse auf vergangene Akkretionsereignisse gezogen werden.

Um solche Vorgänge realistisch zu modellieren, setzen die Forscher auf GPU-beschleunigte Simulationen, die komplexe dynamische Entwicklungen nachbilden können. GPU-beschleunigte Simulationen (von GPUs, Grafikprozessoren) können CPUs (zentrale Prozessoren) ersetzen oder ergänzen und haben den Vorteil, dass sie viele Berechnungen parallel durchführen können. Die Simulationszeiten verkürzen sich bis um das 100-Fache.

Ein Blick in die galaktische Vergangenheit

Die Forschungsgruppe „Astrophysics and Machine Learning“, die von Buck geleitet wird und der auch Oliver angehört, verbindet moderne Verfahren des maschinellen Lernens mit hochaufgelösten kosmologischen Simulationen. Die Kombination aus Datenanalyse und Theorie eröffnet dabei völlig neue Möglichkeiten, die Entstehung unserer Milchstraße zu erforschen.

Je genauer die Algorithmen und Simulationen werden, desto klarer zeichnet sich das Bild einer Galaxie ab, die durch kosmische Kollisionen und fortwährende Materieaufnahme geformt wurde. Die Heidelberger Forscher wollen dazu einen entscheidenden Beitrag leisten – und das Geschichtsbuch unserer Galaxie neu schreiben.