COSMOS: "Umfassendste Karte des Universums" erfasst gut 800.000 Galaxien und wirft Fragen auf
Ein internationales Forschungsteam hat die umfassendste Karte des Universums veröffentlicht, die fast 800.000 Galaxien über 98 Prozent der kosmischen Geschichte erfasst und bestehende Theorien herausfordert.
Das COSMOS-Web-Projekt, geleitet von den Astrophysikern Caitlin Casey von der University of California in Santa Barbara und Jeyhan Kartaltepe vom Rochester Institute of Technology, hat mit dem James Webb Space Telescope (JWST) eine beispiellose Kartierung des Kosmos erstellt. Die Himmelsdurchmusterung umfasst 0,54 Quadratgrad des Himmels, was etwa der Fläche von drei Vollmonden entspricht.
Diese Dimension wird erst im Vergleich mit früheren Projekten deutlich: Während das Hubble Ultra Deep Field aus dem Jahr 2004 etwa 10.000 Galaxien auf einer Fläche von der Größe eines Standardblattes Papier zeigte, würde die neue COSMOS-Web-Karte bei gleicher Auflösung eine Wandfläche von über vier mal vier Metern füllen.
- Das James Webb Space Telescope nutzte für diese Kartierung zwei Hauptinstrumente: die "Near Infrared Camera" (NIRCam) und das "Mid Infrared Instrument" (MIRI). Die NIRCam erfasste Wellenlängen von 0,6 bis 5 Mikrometern, während MIRI den Bereich von 4,9 bis 28,8 Mikrometern abdeckte.
- Der 6,5 Meter große Hauptspiegel des Webb-Teleskops, der etwa sechsmal größer ist als der 2,4 Meter große Spiegel des Hubble-Teleskops, ermöglichte die Erfassung von deutlich schwächeren und ferneren Galaxien. Die Beobachtungen erstreckten sich über 250 Stunden mit mehr als 150 Besuchen des Teleskops.
Ein Blick in die kosmische Vergangenheit
Die COSMOS-Web-Karte reicht 13,5 Milliarden Jahre in die Vergangenheit zurück, was etwa 98 Prozent der gesamten kosmischen Geschichte abdeckt. Da das Universum nach aktuellen Schätzungen etwa 13,8 Milliarden Jahre alt ist, erfassen die Beobachtungen folglich Galaxien aus einer Zeit, als das Universum nur etwa 300 Millionen Jahre alt war.
Diese frühen Galaxien sind von besonderem wissenschaftlichem Interesse, da sie Einblicke in die Epoche der Reionisierung gewähren - jene Zeit, in der die ersten Sterne und Galaxien das neutrale Wasserstoffgas im Universum ionisierten und damit das "dunkle Zeitalter" des Kosmos beendeten.
Künstliche Intelligenz in der Galaxienforschung
Das Projekt integriert auch moderne KI-Technologien in die astronomische Forschung. Zwei neue COSMOS-Web-Studien zeigen das wissenschaftliche Potenzial des Katalogs, wie das Rochester-Institut erklärt: Eine Untersuchung verfolgt die strukturelle Entwicklung der hellsten Galaxien über die letzten 11 Milliarden Jahre, während eine andere künstliche Intelligenz nutzt, um wichtige Galaxieneigenschaften aus fotometrischen Daten zu schätzen. Der Astrophysiker Ghassem Gozaliasl der Aalto-Universität äußert sich zu den Möglichkeiten wie folgt:
Dank JWST und der COSMOS-Web-Durchmusterung können wir nun verfolgen, wie Galaxien die Sternentstehung einstellen, morphologische Transformationen durchlaufen und wie diese Prozesse von ihrer Umgebung über die kosmische Zeit geformt werden.
Eine Herausforderung für bestehende Modelle
Die Entdeckungen stellen die Kosmologie indes vor unerwartete Rätsel. Vor dem Start des Webb-Teleskops prognostizierten Astronomen basierend auf Hubble-Beobachtungen, dass Galaxien in den ersten 500 Millionen Jahren nach dem Urknall extrem selten sein sollten.
"Die große Überraschung ist, dass wir mit JWST etwa zehnmal mehr Galaxien sehen als erwartet in diesen unglaublichen Entfernungen", erklärt Casey. Zusätzlich entdeckten die Forscher supermassereiche schwarze Löcher, die mit Hubble nicht sichtbar waren.
Diese Beobachtungen werfen laut Casey grundlegende Fragen auf: Wie konnte das Universum in nur 400 Millionen Jahren Strukturen entstehen lassen, die einer Milliarde Sonnenmassen entsprechen? Einige Forscher diskutieren bereits, ob das Standardmodell der Kosmologie angepasst werden muss - dank der nahezu sofortigen Veröffentlichung der Ergebnisse mitsamt einer interaktiven Karte dürfte hier die Forschung rasant an Fahrt gewinnen.
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Aufs Quadratgrad sind wir ja nur deswegen gekommen, weil der Ursprungsartikel (gaaaaaanz am Anfang) sich genau auf dieses Flächenmaß eingeschossen hatte.
Vollkreis: 360°*180°=41253°°
Oder worauf zielst du ab?
Ist halt nur ein sehr kleiner Ausschnitt, der aktuell erforscht ist. Auf der anderen Seite gehen wir davon aus, dass es sich überall so ähnlich abspielt. Die Annahme macht zwar sehr viel Sinn, aber wirklich Wissen tut man das erst, wenn man statistisch relevante Teile der Himmelskugel um uns rum erforscht hat.
EDIT: 0,54°° sind somit 0,008 Promille der Himmelskugel.
Ich hab die Rechnung "360 ° * 180 °" gesehen und reflexartig einen Fehler in der Herleitung gerochen, denn hier wird eine Fläche berechnet durch Multiplikation zweier 'Kantenlängen'', obwohl wir mit der Gradskala auf der Kugeloberfläche ein krummliniges Koordinatensystem haben. Um den korrekten Wert in Quadratgrad zu bekommen, müsste man in Kugelkoordinaten das Integral für die Oberfläche ausrechnen.
Wenn man jetzt aber trotzdem
0,54 °° / (360° * 180°) = 0,54°° / 64800°°
ausrechnet, bekommt man die oben erwähnten ca. 0,008 Promille, also 8E-6, aber dieser Wert ist eben nicht korrekt! Der richtige wert ist ca. 1,3E-5 oder 0,013 Promille.
Diesen letzteren Wert hab ich aus meiner Integralrechnung im Bogenmaß gefunden, dann nochmal den zitierten obigen Post angeschaut und verwundert gesehen, dass da ja auch 41253°° als voller Raumwinkel einer Kugel erwähnt waren. Ich hatte zu dem Punkt aber noch nicht überprüft, ob das tatsächlich 360° * 180° sind und dachte: "Wow, anscheinend hat da einer viel Glück gehabt, dass zufällig der richtige Wert rauskommt für den vollen Raumwinkel, obwohl der Rechenweg nicht passt", denn 0,54°° / 41253°° ergibt den korrekten Wert.
Aber: Wenn ich 360 ° * 180 ° stumpf ausrechne, bekomme ich eben nicht 41253°° , sondern 64800 °° !
Wo kommen dann aber die (korrekten) 41253°° her?
Wenn man den Raumwinkel als Integral in Kugelkoordinaten berechnet als Integral über den Integranden
sin(theta_b) * d_phi_b * d_theta_b
und mit den Integralgrenzen theta_b von 0 bis pi und phi_b von 0 bis 2 pi,
bekommt man die 4 pi als vollen Raumwinkel.
(Subscript b soll hier für Bogenmaß stehen, Subscript g für Gradmaß.)
Wenn man aber im Gradsystem rechnen will, muss man formal eine Variablensubstitution vom Bogenmaßsystem ins Gradmaßsystem durchführen: Winkel_g = Winkel_b * (360° / 2pi). Dadurch bekommt man Vorfaktoren in die Rechnung, die ebenso dazu führen, dass
1°° entspricht (2pi / 360°)².
Wissend, dass im Bogenmaß der volle Raumwinkel 4pi sind, muss also der volle Raumwinkel im Gradsystem wie folgt sein:
4pi / (2pi / 360°)² = (360°)² / pi = 41253°°
TADAAAA.
Durch die korrekte Variablen-Substitution sind also zwar beide Winkelsysteme legitim, für mich ist allerdings das Bogenmaß intuitiver, weil die für die Berechnung notwendigen trigonometrischen Funktionen, also sin(x) oder cos(x) eben mathematisch elegant auf dem Bogenmaß definiert werden mit x im Interval .
Somit stimmt der Spruch!