Genaue und präzise Analyse großskaliger kosmologischer Strukturen durch störungs-theoretische Modellierung der Galaxienverteilung

• Antragstellerin: Dr. Julia Stadler
• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 545534254

Eine neue Generation spektroskopischer Instrumente, wie etwa DESI oder Euclid, durchmustern die Galaxien am Himmel und vermessen großskalige Strukturen im Universum mit nie dagewesener Genauigkeit. Diese Daten können zu einem völlig neuen Verständnis vom Ursprung und von der Entwicklung des Universums beitragen. Die vollständige Ausschöpfung ihres wissenschaftlichen Potenzials stellt jedoch eine erhebliche Herausforderung dar. Gängige Analysetechniken ignorieren verfügbare Informationen, da sie die Daten zunächst zu zwei- und dreidimensionalen Korrelationen komprimieren. Bei der Entwicklung neuer Methoden ist es besonders wichtig, theoretische Unsicherheiten bezüglich der Entstehung und Entwicklung von Galaxien (galaxy bias) zu berücksichtigen, welche andernfalls die Analyse verfälschen können. Dieses Projekt wird eine neue Methode zur Analyse von Galaxien-Durchmusterungen etablieren, die den Informationsgewinn maximiert und es erlaubt, theoretische Unsicherheiten genau zu kontrollieren. Der Ansatz beruht einerseits darauf, die theoretischen Vorhersagen auf der Ebene der Galaxiendichte mit der Beobachtung zu vergleichen, wodurch der Informationsverlust in der Datenkomprimierung umgangen wird. Dies ermöglicht ein Rechenmodell, das den Prozess der kosmologischen Strukturbildung emuliert (forward-model) und die Galaxienverteilung für jede angenommenen kosmologischen Parameter und Anfangsbedingungen im frühen Universum vorhersagt. Andererseits basiert das Modell auf einem störungstheoretischen Ansatz (EFTofLSS), der derzeit die einzige Methode ist, um theoretische Unsicherheiten genau zu kontrollieren. Erste Arbeiten der Antragstellerin und weiterer Forscher haben gezeigt, dass Vorwärts-Modellierung realisierbar und ein vielversprechender Ansatz ist. Nun wird die Antragsstellerin ein Team aus einem Postdoc und zwei Doktoranden leiten, um die Technik auszuarbeiten, sodass sie auf Beobachtungsdaten angewendet werden kann. Dies beinhaltet die Beschreibung aller relevanten kosmologischen, beobachtungsbezogenen und instrumentellen Effekte in einem numerisch effizienten und differenzierbaren Rechenmodell. Alle Entwicklungsschritte werden dabei durch den Vergleich mit numerischen Simulationen verifiziert. Das Ziel des Projekts ist eine Analyse des DESI Datensatzes, bei dem die Prä­zi­si­on in der Messung kosmologischer Parameter mindestens verdoppelt werden soll. Zusätzlich werden Einblicke in die kosmologischen Anfangsbedingungen ermöglicht. Diese Ergebnisse können zu neuen Entdeckungen führen. Darüber hinaus erlauben sie Folgeanalysen und Korrelationen mit weiteren kosmologischen und astronomischen Datensätzen. Das entwickelte Modell und die Beschreibung beobachtungsbezogener Effekte sind bedeutsam für Arbeiten, die über das Projekt hinausgehen. In diesem Sinne ist das Projekt ein wichtiger Beitrag, um den wissenschaftlichen Ertrag der neuen Beobachtungen mit modernen Methoden aus dem Bereich Statistik und Computergestütztes Lernen zu maximieren.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen