Vom Bild zur 3D-Karte: Wie DESI Galaxien in kosmische Entfernungen verwandelt

Eine Himmelskarte kann wie ein sehr detailliertes Bild des Universums wirken, doch ein Bild allein zeigt nicht unbedingt, wie weit die einzelnen Galaxien entfernt sind. Die DESI Legacy Imaging Surveys und das Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) erfüllen unterschiedliche, einander ergänzende Aufgaben: Erstere sammelten Bilder, mit denen sich Objekte am Himmel lokalisieren lassen; Letzteres beobachtet das Licht einer Auswahl dieser Objekte, um Informationen über ihre Entfernung und Bewegung zu gewinnen.

Die Verbindung zwischen beiden verdeutlicht den Übergang von einer zweidimensionalen zu einer dreidimensionalen Kartierung. Die Karte verortet die Objekte am Himmel; die spektroskopischen Messungen von DESI liefern Informationen, mit denen sie auch in der Tiefe angeordnet werden können. NOIRLab stellte das Projekt im Januar 2021 als Grundlage für die DESI-Durchmusterung vor. Die folgenden Zahlen beschreiben diese Karte und den damals angekündigten Plan, nicht eine aktuelle Zählung aller bekannten Himmelsobjekte.

Eine Bildkarte zum Auffinden von Objekten

Die Legacy Imaging Surveys kombinierten Bilder, die am Kitt Peak National Observatory in Arizona und am Cerro Tololo Inter-American Observatory in Chile aufgenommen wurden. Ergänzt wurde die Sammlung durch Bilder von WISE, dem Weltraumteleskop Wide-field Infrared Survey Explorer der NASA. Die daraus entstandene Karte erfasste die Hälfte des Himmels und umfasste mehr als eine Milliarde Galaxien.

Die digitale Abdeckung erstreckte sich auf zehn Billionen Pixel – 10¹² auf der im Spanischen verwendeten Zahlenskala. Das Projekt beschrieb die Karte als die bis dahin größte, wenn man die erfasste Himmelsfläche, die Empfindlichkeit und die Gesamtzahl der kartierten Galaxien gemeinsam betrachtet. Es handelte sich nicht um eine einzige Aufnahme: Die Bilder stammten aus drei Durchmusterungen, MzLS, DECaLS und BASS, sowie aus einer sechsjährigen Arbeit mit insgesamt 1.405 Beobachtungsnächten.

Auch der Arbeitsumfang vermittelt eine Vorstellung von der Größe des Projekts: In der Mitteilung von NOIRLab wurde das Datenvolumen mit einem Petabyte und der Rechenaufwand mit hundert Millionen CPU-Stunden angegeben. Zusammengenommen ermöglichten die Bilder und ihre Verarbeitung die Erstellung eines Katalogs, anhand dessen entschieden werden konnte, welche Objekte DESI als Nächstes beobachten sollte.

Ziele für DESI auswählen

Die Bildkarte sollte nicht selbst die Entfernungen aller Objekte messen. Sie diente dazu, Kandidaten zu lokalisieren und Ziele für die spektroskopische Durchmusterung auszuwählen. Nach dem 2021 beschriebenen Plan wollte die DESI-Kollaboration 35 Millionen Galaxien und 2,4 Millionen Quasare auswählen. Einigen dieser Objekte, so die Mitteilung, waren bis zu 12 Milliarden Lichtjahre entfernt.

Ein Quasar ist eine der Objektarten, die in DESIs Auswahl enthalten sind; wichtig ist in diesem Zusammenhang, dass sowohl Galaxien als auch Quasare Ziele spektroskopischer Messungen sein können. Mithilfe der Karte ließen sie sich identifizieren und die Beobachtungen auf sie ausrichten. Der zweidimensionale Katalog diente somit als Leitfaden für die Organisation der anschließenden Arbeit und nicht als Ersatz für die Messungen, die die Tiefendimension hinzufügen.

Was ein Spektrum hinzufügt

Um ein Spektrum zu erhalten, zerlegt DESI das Licht jeder Galaxie in schmale Farbbänder. Die Verteilung dieses Lichts ermöglicht es dem Team, Entfernungen und die Geschwindigkeit zu messen, mit der sich Galaxien von uns entfernen, so die Projektbeschreibung. Verknüpft man diese Messungen mit der Position jedes Objekts auf der Himmelskarte, lässt sich eine dreidimensionale Darstellung erstellen: Man weiß dann nicht nur, in welche Himmelsregion man schauen muss, sondern auch, wie die Objekte entlang der kosmischen Tiefe verteilt sind.

Das Instrument automatisiert die Beobachtungen mithilfe von 5.000 ausrichtbaren Robotern. Jeder trägt eine dünne Glasfaser, die auf eine einzelne Galaxie ausgerichtet werden kann; das Design ermöglicht die Messung der Spektren von bis zu 5.000 Galaxien gleichzeitig. Diese Fähigkeit erlaubt es, während der Durchmusterung eine sehr große Auswahl an Objekten zu untersuchen; laut Ankündigung waren dafür fünf Betriebsjahre vorgesehen.

Von Positionen zur dreidimensionalen Struktur

Die Bildkarte und die 3D-Karte beantworten also unterschiedliche Fragen. Die erste beschreibt die Verteilung der Quellen am Firmament und hilft bei der Vorbereitung der Zielauswahl. DESI ergänzt Lichtmessungen, mit denen sich Objekte in der Tiefe verorten und ihre Fluchtbewegung erfassen lässt. Das angestrebte Ergebnis ist eine vollständigere Kartierung der Verteilung von Galaxien und Quasaren im Universum.

NOIRLab erklärte, dass die Messungen von DESI Informationen über die Natur der Dunklen Energie liefern könnten, die in der Mitteilung mit der beschleunigten Expansion des Universums in Verbindung gebracht wurde. Dieses wissenschaftliche Ziel hängt von der Gesamtheit der Beobachtungen und ihrer Analyse ab: Die Bildkarte ist ein Vorbereitungsschritt, während die Spektren die erforderlichen Messungen liefern, um die dreidimensionale Verteilung nachzuzeichnen.

Der Grundgedanke ist einfach, auch wenn seine Umsetzung eine umfangreiche Infrastruktur erfordert: Zunächst helfen großflächige, einheitliche Bilder dabei, Objekte zu lokalisieren und auszuwählen; anschließend sammeln Glasfasern ihr Licht, und DESI zerlegt es in Farben. Durch die Verbindung der Position am Himmel mit den spektroskopischen Messungen wird eine flache Karte zum Ausgangspunkt, um zu vermessen, wie das Universum in drei Dimensionen aufgebaut ist.