Reagieren auf Stage-IV-Daten: Ein einheitliches und skalierbares Rahmenwerk für die Statistik von kosmischer Scherung und Galaxienhaufen in der Horndeski-Gravitation

• Antragsteller: Matteo Cataneo, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 573007574

Eine der zentralsten Fragen der Kosmologie ist der Ursprung der beobachteten beschleunigten Expansion des Universums. Im Standardmodell der Kosmologie (ΛCDM) attributiert man diese Beschleunigung der kosmologische Konstante (Λ), die aus der Eindeutigkeit der Allgemeinen Relativitätstheorie unter gewissen Annahmen folgt. Da quantenfeldtheoretische Überlegungen eine große Diskrepanz zwischen der beobachteten und erwarteten Beschleunigung aufweisen, liegt es nahe, diese Annahmen zu überprüfen. Die Horndeski-Gravitation, eine breite Klasse von Skalar-Tensor-Theorien, erlaubt durch die Einführung eines Skalarfeldes die angesprochene Diskrepanz dynamisch zu lösen und so die beobachtete beschleunigte Expansion zu beschreiben. Da die Einführung eines neuen Feldes eine fünfte Kraft mit sich führt, verändert sich das Wachstum kosmischer Strukturen und die Lichtausbreitung. Durch Beobachtungen der kosmischen Strukturen lassen sich so Rückschlüsse auf die zugrundeliegende Theorie ziehen. Die nächste Generation von Himmelsdurchmusterungen unter der Leitung der europäischen Euclid-Mission und des Vera C. Rubin-Observatoriums wird die Positionen und Formen von Milliarden von Galaxien mit noch nie dagewesener Präzision kartieren und Hunderttausende von Galaxienhaufen entdecken. Die kosmische Scherung - die kohärente Verzerrung der Galaxienformen durch großräumige Strukturen aufgrund des schwachen Gravitationslinseneffektes - sowie die Anzahl, die räumliche Verteilung und die internen Profile von Galaxienhaufen sind alle sehr empfindlich gegenüber Abweichungen von der Standardgravitation. Für allgemeine Horndeski-Modelle fehlen jedoch genaue theoretische Vorhersagen auf den Skalen, auf denen diese Beobachtungen am sensitivisten sind. Die derzeitigen Ansätze stützen sich entweder auf rechenintensive Simulationen für eine begrenzte Anzahl von Modellen oder beschränken die Analyse auf große, lineare Skalen, wodurch die Aussagekraft der Daten eingeschränkt wird. Zum Schließen dieser Lücke wird das Projekt das Reaction Framework weiterentwickeln – eine Methode, die physikalische Modellierung mit maschinellem Lernen kombiniert, um die Auswirkungen von Physik jenseits ΛCDM auf kleinen, nichtlinearen Skalen vorherzusagen. Da dort auch baryonische Prozesse wie AGN-Rückkopplung und Sternentstehung relevant sind, werden diese – inklusive möglicher Kopplungen mit der Horndeski-Gravitation – im selben Rahmen berücksichtigt. So entstehen konsistente theoretische Vorhersagen für verschiedene Observablen bei reduzierten systematischen Unsicherheiten. Zusätzlich werden theoriebasierte Vorhersagen für die Ein-Punkt-Verteilung des Konvergenzfeldes der kosmischen Scherung entwickelt, um über Zwei-Punkt-Statistiken hinausgehende Information für Tests der Gravitation mit kommenden Himmelsdurchmusterungen nutzbar zu machen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen