Interpretation von relativistischen Effekten und Korrekturen innerhalb der kosmologischen Strukturenbildung

• Antragsteller: Dr. Cornelius Stefan Rampf
• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie ; Mathematik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 248747090

Die kosmischen Strukturen (=Galaxiencluster) sind gemäß des Standardmodells der Kosmologie hauptsächlich das Resultat des gravitativen Kollapses. Anhand analytischer und numerischer Methoden können wir die gravitative Evolution rekonstruieren und somit die Gravitationstheorie verifizieren. Zudem erhalten wir einen Einblick in die Zusammensetzung des Universums und hoffen mehr über die Natur der bislang unentdeckten dunklen Materie und dunklen Energie herauszufinden.Bislang wurden alle gemessenen Effekte auf kosmologischen Skalen (1 Mpc - 100 Mpc) nur bis zur führenden Ordnung innerhalb der Allgemeinen Relativitätstheorie bestätigt. Abgesehen von rein relativistischen Effekten (wie z.B. der Gravitationslinsen-Effekt) erscheinen relativistische Korrekturen gewöhnlich erst nach der führenden Ordnung, was bedeutet dass diese Korrekturen vom Newtonschen Anteil dominiert werden. Gegenwärtige und zukünftige Beobachtungen der kosmischen Strukturen (wie SDSS, oder der Euklid-Satellit von ESA) werden diese Skalen präzise vermessen, und Ungenauigkeiten innerhalb des kosmologischen Modells auf Prozent-Niveau reduzieren. Daher ist es essentiell, relativistische Effekte und Korrekturen mit guter Genauigkeit zu bestimmen.Eine der Zielvorgaben des Projektes ist die Identifikation von relativistischen Effekten innerhalb der kosmologischen Strukturenbildung. Wir werden untersuchen, inwiefern relativistische Effekte/Korrekturen die Interpretation von Beobachtungen beeinflussen, was im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie ein nicht-triviales Unterfangen darstellt. Derartige Überlegungen werden zunehmend relevanter, sofern man die immer komplexer/detaillierter werdenden Beobachtungsdaten verstehen möchte-speziell unter dem Aspekt, dass die Kosmologie eine Präzisionswissenschaft geworden ist.Mein Beitrag zum Projekt wird unter anderem die relativistische Interpretation von numerischen Simulationen sein. Solche Simulationen bedienen sich der Newtonschen Näherung, da eine vollständig relativistische Betrachtung nicht realisierbar ist. Die essentielle Zielsetzung besteht darin, eine direkte Verbindung zwischen Newton'schen Simulationen und der Allgemeinen Relativitätstheorie herzustellen; dies kann bedeuten, dass die tatsächlichen Positionen der Teilchen gemäß der relativistischen Zwangsbedingungen leicht verschoben werden müssen, und/oder ob das Gittervolumen in der numerischen Simulation deformiert wird. Ausschlaggebend für diese und die folgenden Überlegungen ist die sogenannte Lagrangesche Störungstheorie, worin ich im Rahmen meiner bisherigen Forschungsarbeit mir entsprechende Fachkenntnisse angeeignet habe.Zudem werde ich weiterhin an meinen gegenwärtigen Bestrebungen arbeiten, wie relativistische Korrekturen in den Anfangsbedingungen von numerischen Simulationen eingebettet werden können. Solche Überlegungen könnten zu einfachen und schnellen quasi-relativistischen numerischen Simulationen führen.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Gastgeber: Professor Dr. David Wands