Andromeda Galaxy von Hubble, NASA

Andromeda Galaxy von Hubble, NASA

We are not alone

Hubble 1924:

  • Andromeda weit entfernt
  • eine von vielen "Insel Universen"

 

Hubble 1924:

  • Andromeda weit entfernt
  • eine von vielen "Insel Universen"

 

Hubble 1995

  • unzählbar viele Galaxien
    (100 - 2,000 Mrd)

Hubble Deep Field, ESA

We are not alone

We are not alone

Quora: The Science Space

We are not alone

Quora: The Science Space

Hubble 1929: Entfernte Galaxien fliehen schneller

Hubble 1929: Entfernte Galaxien fliehen schneller

Universum expandiert

Einstein 1925: Allgemeine Relativität

Beschreibt Expansion

Mathematische Grundlage für Urknall Modell (Lemaitre 1927)


 

R_{\mu \nu} - \frac{1}{2}Rg_{\mu \nu} + \Lambda g_{\mu \nu} = \frac{8\pi G}{c^4}T_{\mu \nu}

Lemaitre 1931: Universum war Kompakt und Heiss

 

Plasma blockiert Licht 

Abkühlung macht Universum transparent
 

Quelle

Lemaitre 1931: Universum war Kompakt und Heiss

Lemaitre 1931: Universum war Kompakt und Heiss

Plasma lässt kein Licht hindurch

Abkühlung macht Universum transparent

Alpher 1948: Letztes Glühen des Plasma noch heute sichtbar?
 

Lemaitre 1931: Universum war Kompakt und Heiss

Plasma lässt kein Licht hindurch

Abkühlung macht Universum transparent

Alpher 1948: Letztes Glühen des Plasma noch heute sichtbar?
 

Lemaitre 1931: Universum war Kompakt und Heiss

Plasma lässt kein Licht hindurch

Abkühlung macht Universum transparent

Alpher 1948: Letztes Glühen des Plasma noch heute sichtbar?
 

Lemaitre 1931: Universum war Kompakt und Heiss

Plasma lässt kein Licht hindurch

Abkühlung macht Universum transparent

Alpher 1948: Letztes Glühen des Plasma noch heute sichtbar?
 

Lemaitre 1931: Universum war Kompakt und Heiss

Plasma lässt kein Licht hindurch

Abkühlung macht Universum transparent

Alpher 1948: Letztes Glühen des Plasma noch heute sichtbar?

Penzias & Wilson 1965: Messen Kosmische Hintergrundstrahlung
 

Lemaitre 1931: Universum war Kompakt und Heiss

Plasma lässt kein Licht hindurch

Abkühlung macht Universum transparent

Alpher 1948: Letztes Glühen des Plasma noch heute sichtbar?

Penzias & Wilson 1965: Messen Kosmische Hintergrundstrahlung

Identisch in allen Richtungen

Bestätigt Urknall

Kosmische Hintergrundstrahlung

 

Penzias & Wilson 1965:

unglaubliche Vorhersage bestätigt

nicht ohne Urknall erklärbar

Kosmische Hintergrundstrahlung

 

COBE 1989:

Symmetrie nicht perfekt

 

Kosmische Hintergrundstrahlung

 

COBE 1989:

Symmetrie nicht perfekt

Spektrum passt zu Model

Kosmische Hintergrundstrahlung

 

WMAP 2003:

Quantitative Kosmologie

Vergleich:

Kosmisches Modell - CMB Feinstruktur

Kosmische Hintergrundstrahlung

 

Planck 2013:

Hochpräzisions Kosmologie

Kosmische Hintergrundstrahlung

 

Planck 2013:

Hochpräzisions Kosmologie

Kosmische Hintergrundstrahlung

 

Planck 2013:

Hochpräzisions Kosmologie

Daten passen perfekt zu Modell

mit dunkler Materie & Energie

\Lambda\text{CDM}

Kosmische Hintergrundstrahlung

 

Planck 2013:

Hochpräzisions Kosmologie

Daten passen perfekt zu Modell

mit dunkler Materie & Energie

\Lambda\text{CDM}

Dunkle Materie?

"Normale" Materie 

  • emittiert & folgt Gravitation
  • interagiert mit Licht
  • reagiert chemisch
  • besteht aus:
    • Protonen
    • Neutronen
    • Elektronen

Dunkle Materie?

"Normale" Materie 

  • emittiert & folgt Gravitation
  • interagiert mit Licht
  • reagiert chemisch
  • besteht aus:
    • Protonen
    • Neutronen
    • Elektronen

Dunkle Materie 

  • emittiert & folgt Gravitation
  • interagiert nicht mit Licht
  • reagiert nicht chemisch
  • besteht aus:
    • unbekannt

Dunkle Materie?

"Normale" Materie 

  • emittiert & folgt Gravitation
  • interagiert mit Licht
  • reagiert chemisch
  • besteht aus:
    • Protonen
    • Neutronen
    • Elektronen

Dunkle Materie 

  • emittiert & folgt Gravitation
  • interagiert nicht mit Licht
  • reagiert nicht chemisch
  • besteht aus:
    • unbekannt

Dunkel = Unbekannt

Weitere Hinweise auf Dunkle Materie

  • Galaxienrotation (Zwicky 1933)
  • Rotationskurven von Spiralgalaxien (Rubin 1970s)
  • Gravitationslinseneffekt (1979)
  • Large-Scale Struktur des Kosmos (2000s)
  • Bullet Cluster (2006)

Weitere Hinweise auf Dunkle Materie

  • Galaxienrotation (Zwicky 1933)
  • Rotationskurven von Spiralgalaxien (Rubin 1970s)

Weitere Hinweise auf Dunkle Materie

  • Galaxienrotation (Zwicky 1933)
  • Rotationskurven von Spiralgalaxien (Rubin 1970s)

Weitere Hinweise auf Dunkle Materie

  • Galaxienrotation (Zwicky 1933)
  • Rotationskurven von Spiralgalaxien (Rubin 1970s)

Braucht gleichmässig verteilte, dunkle Materie

Weitere Hinweise auf Dunkle Materie

  • Galaxienrotation (Zwicky 1933)
  • Rotationskurven von Spiralgalaxien (Rubin 1970s)
  • Gravitationslinseneffekt (1979)
  • Large-Scale Struktur des Kosmos (2000s)
  • Bullet Cluster (2006)

Weitere Hinweise auf Dunkle Materie

  • Gravitationslinseneffekt (1979)

Weitere Hinweise auf Dunkle Materie

  • Gravitationslinseneffekt (1979)

Weitere Hinweise auf Dunkle Materie

  • Gravitationslinseneffekt (1979)

James Webb Telescope

Weitere Hinweise auf Dunkle Materie

  • Gravitationslinseneffekt (1979)

James Webb Telescope

Braucht mehr als sichtbare Materie

Weitere Hinweise auf Dunkle Materie

  • Galaxienrotation (Zwicky 1933)
  • Rotationskurven von Spiralgalaxien (Rubin 1970s)
  • Gravitationslinseneffekt (1979)
  • Large-Scale Struktur des Kosmos (2000s)
  • Bullet Cluster (2006)

Weitere Hinweise auf Dunkle Materie

  • Large-Scale Struktur des Kosmos (2000s)

Weitere Hinweise auf Dunkle Materie

  • Large-Scale Struktur des Kosmos (2000s)

Konsistente Simulation nur mit dunkler Materie

Weitere Hinweise auf Dunkle Materie

  • Galaxienrotation (Zwicky 1933)
  • Rotationskurven von Spiralgalaxien (Rubin 1970s)
  • Gravitationslinseneffekt (1979)
  • Large-Scale Struktur des Kosmos (2000s)
  • Bullet Cluster (2006)

Weitere Hinweise auf Dunkle Materie

  • Bullet Cluster (2006)

Materie

Dunkle Materie

gebremst

ungebremst

Weitere Hinweise auf Dunkle Materie

  • Bullet Cluster (2006)

Materie

Dunkle Materie

gebremst

ungebremst

Smoking gun: zeigt deutlichen Unterschied

Weitere Hinweise auf Dunkle Materie

  • Galaxienrotation (Zwicky 1933)
  • Rotationskurven von Spiralgalaxien (Rubin 1970s)
  • Gravitationslinseneffekt (1979)
  • Large-Scale Struktur des Kosmos (2000s)
  • Bullet Cluster (2006)
  • Expandierendes Universum (Hubble 1929)

Alternativen

  • Galaxienrotation (Zwicky 1933)
  • Rotationskurven von Spiralgalaxien (Rubin 1970s)
  • Gravitationslinseneffekt (1979)
  • Large-Scale Struktur des Kosmos (2000s)
  • Bullet Cluster (2006)
  • Expandierendes Universum (Hubble 1929)

Modified Netwon Gravity (MOND)

Alternativen

  • Galaxienrotation (Zwicky 1933)
  • Rotationskurven von Spiralgalaxien (Rubin 1970s)
  • Gravitationslinseneffekt (1979)
  • Large-Scale Struktur des Kosmos (2000s)
  • Bullet Cluster (2006)
  • Expandierendes Universum (Hubble 1929)

Modified Netwon Gravity (MOND)

  • Galaxienrotation (Zwicky 1933)
  • Rotationskurven von Spiralgalaxien (Rubin 1970s)
  • Gravitationslinseneffekt (1979)
  • Large-Scale Struktur des Kosmos (2000s)
  • Bullet Cluster (2006)
  • Expandierendes Universum (Hubble 1929)

Modified Netwon Gravity (MOND)

  • Galaxienrotation (Zwicky 1933)
  • Rotationskurven von Spiralgalaxien (Rubin 1970s)
  • Gravitationslinseneffekt (1979)
  • Large-Scale Struktur des Kosmos (2000s)
  • Bullet Cluster (2006)
  • Expandierendes Universum (Hubble 1929)

F(R) Schwerkraft

Alternativen

  • Galaxienrotation (Zwicky 1933)
  • Rotationskurven von Spiralgalaxien (Rubin 1970s)
  • Gravitationslinseneffekt (1979)
  • Large-Scale Struktur des Kosmos (2000s)
  • Bullet Cluster (2006)
  • Expandierendes Universum (Hubble 1929)

Modified Netwon Gravity (MOND)

  • Galaxienrotation (Zwicky 1933)
  • Rotationskurven von Spiralgalaxien (Rubin 1970s)
  • Gravitationslinseneffekt (1979)
  • Large-Scale Struktur des Kosmos (2000s)
  • Bullet Cluster (2006)
  • Expandierendes Universum (Hubble 1929)

F(R) Schwerkraft

Alternativen?

Dunkle Energie?

"Normale" Energie

  • beeinflusst Expansion
    • positiver Druck
    • anziehend, kontraktion
  • interagiert mit Materie
  • Formen:
    • thermisch
    •  kinetisch
    •  ...

Dunkle Energie?

"Normale" Energie

  • beeinflusst Expansion
    • positiver Druck
    • anziehend, kontraktion
  • interagiert mit Materie
  • Formen:
    • thermisch
    •  kinetisch
    •  ...

Dunkle Energie

  • beeinflusst Expansion
    • negativer Druck
    • abstossend, expansion
  • interagiert nicht mit Materie
  • Formen:
    • unbekannt

Hinweise auf Dunkle Energie

  • Supernovae und Rotverschiebung
  • Flaches Universum
  • Large-Scale Struktur
  • CMB Anisotropien

Hinweise auf Dunkle Energie

Expansion

-> Rotverschiebung

 

  • Supernovae und Rotverschiebung

Hinweise auf Dunkle Energie

Betoule 2014

Graph by Quanta Magazine

Expansion

-> Rotverschiebung

 

Beschleunigte Expansion

-> weniger Rotverschiebung

  • Supernovae und Rotverschiebung

Hinweise auf Dunkle Energie

  • Supernovae und Rotverschiebung

Submitted to ApJ Jan 5th 2024

Hinweise auf Dunkle Energie

  • Supernovae und Rotverschiebung

Submitted to ApJ Jan 5th 2024

Dunkle Energie

erscheint sehr konstant          

-0.923 < \omega < -0.992
\omega = -1

Hinweise auf Dunkle Energie

  • Supernovae und Rotverschiebung
  • Flaches Universum
  • Large-Scale Struktur
  • CMB Anisotropien

Hinweise auf Dunkle Energie

  • Flaches Universum
\Omega_0 = \Omega_M + \Omega_{DM} + \Omega_\Lambda

Hinweise auf Dunkle Energie

  • Flaches Universum
\Omega_0 = \Omega_M + \Omega_{DM} + \Omega_\Lambda

    Gemessen per

  • CMB
  • Large-Scale Struktur
  • Supernovae
  • Baryon Acoustic Oscillations
  • Integrated Sachse-Wolf Effect

Hinweise auf Dunkle Energie

  • Flaches Universum

bestimmt Schicksal des Kosmos

\Omega_0 = \Omega_M + \Omega_{DM} + \Omega_\Lambda

Hinweise auf Dunkle Energie

  • Supernovae und Rotverschiebung
  • Flaches Universum
  • Large-Scale Struktur
  • CMB Anisotropien

Hinweise auf Dunkle Energie

  • Large-Scale Struktur
    fit nur mit dunkler Energie
  • CMB Anisotropien

Hinweise auf Dunkle Energie

  • Supernovae und Rotverschiebung
  • Flaches Universum
  • Large-Scale Struktur
  • CMB Anisotropien

Probleme

Probleme

Probleme

Probleme

Probleme

Probleme

Panic!

Probleme

Panic!

Panic!

Probleme

Panic!

Panic!

Panic!

Panic!

Panic!

Probleme

Panic!

Panic!

Panic!

Panic!

Panic!

Probleme

Probleme

Auch Astronomen haben Humor...

Probleme

Das eigentliche Problem: mehr Disks als erwartet

Theorie passt, Parameter anpassen

Probleme

  • Missing Satellites
  • Clumpiness
  • Hubble Tension
  • ...

Probleme

  • Missing Satellites

zu wenig Satellitgalaxien? Klypin+ 1999

Probleme

  • Missing Satellites

zu wenig Satellitgalaxien? Klypin+ 1999

Satelliten dunkler als erwartet 2017

Probleme

  • Missing Satellites
  • Clumpiness
  • Hubble Tension
  • ...

Probleme

  • Clumpiness

Subaru Hyper Suprime Cam (HSC)

Frühes Universum war klumpiger?

Probleme

  • Clumpiness

Frühes Universum war klumpiger?

Axionen? Statistische Anomalie?

Euclid bringt Gewissheit

Probleme

  • Missing Satellites
  • Clumpiness
  • Hubble Tension
  • ...

Probleme

  • Hubble Tension

Messungen zeigen unterschiedliche Expansion

Probleme

  • Hubble Tension

Messungen zeigen unterschiedliche Expansion

Probleme

  • Hubble Tension

Messungen zeigen unterschiedliche Expansion

Euclid bringt

  • genauere Distance Ladder
  • Geschichte der Expansion

Euclid 

Cannes, Feb '23

Euclid 

Cannes, Feb '23

Launch 1 Jul '23

~3,000 Mitarbeiter

Euclid 

Euclid 

Euclid's Orbit

Euclid 

Panoramafenster ins Universum

Nah-Infrarot

Optisch

redshift = 2  ~ 10 Mrd (Licht)Jahre

1/3 des Nachthimmels

ca 10 Mrd Galaxien

in 6 Jahren

Euclid 

Panoramafenster ins Universum

Nah-Infrarot

Optisch

redshift = 2  ~ 10 Mrd (Licht)Jahre

1/3 des Nachthimmels, ca 10 Mrd Galaxien

in 6 Jahren

Euclid Ziele

  • Geometrie des Universums (dunkle Materie & dunkle Energie)
  • Geschichte der Expansion
  • Gravitationslinsen
  • Evolution von Galaxien
  • Large-Scale Struktur
  • ΛCDM herausfordern & verbessern

Euclid am

Institut für Datascience

Euclid am

Institut für Datascience

Data Management & Processing

Prof. Martin Melchior, Simon Marcin, Tino Heuberger

KI im Weltall

Prof. Andre Csillaghy, Prof. Martin Melchior,

Dr. Stefan Hackstein, Dr. Predrag Matavulj, Dr. Merve Selcuk,

Francesco Ramunno, Pascal Herzog

Euclid am

Institut für Datascience

Data Management & Processing

Prof. Martin Melchior, Simon Marcin, Tino Heuberger

Data Management & Processing

Data Management & Processing

  • Verarbeitung & Speicherung der Beobachhtungsdaten 1 PB
  • Data & Process Management 9 Datencenter
  • Abgleich mit anderen Instrumenten gesamt 150 PB
  • 100k Jobs pro Verarbeitung
  • mehrere TB pro Verarbeitung
  • bis 100 Verarbeitungen pro Tag
  • Seltene Fehler werden häufig

Data Management & Processing

  • Verarbeitung & Speicherung der Beobachhtungsdaten 1 PB
  • Data & Process Management 9 Datencenter
  • Abgleich mit anderen Instrumenten gesamt 150 PB
  • 100k Jobs pro Verarbeitung
  • mehrere TB pro Verarbeitung
  • bis 100 Verarbeitungen pro Tag
  • Seltene Fehler werden häufig

Euclid STAR Prize 2023

Simon Marcin

KI im Weltall

KI im Weltall

KI im Weltall

KI im Weltall

KI im Weltall

KI im Weltall

KI im Weltall

KI im Weltall

KI im Weltall

KI im Weltall

10 Million Years

KI im Weltall

42!

10 Million Years

Solar Flares

Solar Flares

Solar Flares

Solar Flare Prediction, a Billion-$ Business

Euclid

Euclid

Geometrie des Raums Beobachten

Dunkle Materie kartieren

Starke Gravitationslinsen entdecken

Euclid

Geometrie des Raums Beobachten

Dunkle Materie kartieren

Starke Gravitationslinsen entdecken

Sehr selten 1:10.000

Milliarden Galaxien sichten braucht KI

Euclid

Geometrie des Raums Beobachten

Dunkle Materie kartieren

Starke Gravitationslinsen entdecken

Sehr selten 1:10.000

Milliarden Galaxien sichten braucht KI

Galaxien Formation

Beeinflusst durch dunkle Materie

Typen & Zusammenhang von Mrd Galaxien

braucht maschinelle Analyse mit KI

Euclid

Geometrie des Raums Beobachten

Dunkle Materie kartieren

Starke Gravitationslinsen entdecken

Sehr selten 1:10.000

Milliarden Galaxien sichten braucht KI

Galaxien Formation

Beeinflusst durch dunkle Materie

Typen & Zusammenhang von Mrd Galaxien

braucht  maschinelle Analyse mit KI

Galaxien generieren

Gezielt neue Galaxien erzeugen

mit gewünschten Eigenschaften

mehr Daten zum trainieren

Modell lernt wichtige Eigenschaften

Galaxien generieren

Gezielt neue Galaxien erzeugen

mit gewünschten Eigenschaften

mehr Daten zum trainieren

Modell lernt wichtige Eigenschaften

Welche ist echt?

Galaxien generieren

Gezielt neue Galaxien erzeugen

mit gewünschten Eigenschaften

mehr Daten zum trainieren

Modell lernt wichtige Eigenschaften

Welche ist echt?

Galaxien generieren

Gezielt neue Galaxien erzeugen

mit gewünschten Eigenschaften

mehr Daten zum trainieren

Modell lernt wichtige Eigenschaften

Welche ist echt?

Galaxien generieren

Gezielt neue Galaxien erzeugen

mit gewünschten Eigenschaften

mehr Daten zum trainieren & Modell lernt wichtige Eigenschaften

Schwierigkeit:

  • gute Qualität
  • Diversität
  • Physikalisch korrekt

 

 

Euclid an der FHNW

  • Daten Infrastruktur
  • Künstliche Intelligenz
    • Daten Analyse
    • Testdaten erzeugen
    • Automatische Detektion von
      Gravitationslinsen & Galaxientypen
  • Essentiell zur Erforschung des dunklen Universums

Euclid erste Bilder

Horsehead Nebula

NGC 6822

Globular Clusters and Starforming Regions

IC 342

Perseus Cluster

Perseus Cluster

Zusammenfassung

  • Dunkle Energie & Dunkle Materie: exzellente Theorie
  • Einzige konsistente Beschreibung des Kosmos
  • Offene Fragen: Hubble-Tension, Clumpiness, ...
  • Euclid: Panoramafenster ins All
    • hohe Präzision durch Statistik 10 Mrd Galaxien
    • bringt Licht ins dunkle Universum
  • i4DS: Infrastruktur & KI im Weltall