Was ist das nächste Fenster in unser Universum?

Überall findet man große Datenmengen – selbst am Himmel. In einem informativen Vortrag zeigt der Astronom Andrew Connolly, wie große Mengen an Informationen über unser Universum gesammelt werden, um es in seinen sich stetig verändernden Zuständen abzubilden. Aber wie schaffen es die Wissenschaftler, so viele Bilder zu machen und in ein passendes Format zu bringen? Am Anfang steht ein riesiges Teleskop ...

Im Jahr 1781 bemerkte
ein englischer Komponist,

Techniker und Astronom
namens William Herschel

ein Objekt am Himmel,

das sich etwas anders bewegte
als die übrigen Sterne.

Und Herschels Erkenntnis,
dass etwas anders war,

dass etwas nicht ganz stimmte,

war die Entdeckung eines Planeten,

des Planeten Uranus.

Ein Name, der zahllose Generationen
von Kindern amüsiert hat,

aber ein Planet, der über Nacht

die Größe des uns bekannten
Sonnensystems verdoppelte.

Gerade letzten Monat gab die NASA

die Entdeckung von 517
neuen Planeten bekannt,

die nahe gelegene Sterne umkreisen,

was die Anzahl der bekannten Planeten

in unserer Galaxie
über Nacht fast verdoppelte.

Die Fähigkeit Daten zu sammeln

verändert die Astronomie kontinuierlich

und mit sich jährlich
verdoppelnden Datenmengen

könnten wir innerhalb
der nächsten zwei Jahrzehnte

zum ersten Mal in der Geschichte

den Punkt erreichen, an dem wir
die Mehrheit der Galaxien

im Universum entdeckt haben.

Aber mit dem Beginn
dieser Ära der "Datenflut"

merken wir, dass es
einen Unterschied gibt,

ob mehr Daten einfach besser

oder ob sie auch anders sind

und unsere Fragen verändern können.

Dabei geht es nicht darum,
wie viele Daten wir sammeln,

sondern ob diese Daten neue Fenster

zu unserem Universum öffnen,

ob sie die Art, wie wir unseren
Himmel betrachten, verändern.

Also was ist das nächste Fenster
zu unserem Universum?

Was ist das nächste
Kapitel der Astronomie?

Ich werde Ihnen einige Werkzeuge
und Technologien zeigen,

die wir in den nächsten zehn
Jahren entwickeln werden

und wie diese Technologien,

gepaart mit geschickter Datennutzung,

einmal mehr die Astronomie
verändern könnten,

indem sie ein Fenster
in unser Universum öffnen,

das Fenster der Zeit.

Wieso Zeit? Weil Zeit von Anfängen

und von Evolution handelt;

von der Entstehung des Sonnensystems;

wie unser Sonnensystem zustande kam;

ist es ungewöhnlich oder
auf irgendeine Art besonders?

Von der Evolution unseres Universums.

Warum unser Universum
sich weiterhin ausdehnt

und was diese rätselhafte
Dunkle Energie ist,

die die Ausdehnung vorantreibt?

Aber zuerst möchte ich
Ihnen zeigen, wie Technologie

unsere Sichtweise des Himmels
verändern wird.

Stellen Sie sich vor,

Sie sitzen in den Bergen
des nördlichen Chile

und schauen nach Westen,

in Richtung des Pazifischen Ozeans,

ein paar Stunden vor Sonnenaufgang.

Das hier ist der Nachthimmel,
den Sie sehen würden

und es ist ein schöner Anblick,

mit der Milchstraße, die über
dem Horizont herausschaut

aber es ist auch ein statisches Bild

und in vielfacher Weise denken wir
so über unser Universum:

als ewig und unveränderlich.

Aber das Universum
ist keineswegs statisch.

Es ändert sich ständig,
im Bereich von Sekunden

bis zu Milliarden von Jahren.

Galaxien verschmelzen

und kollidieren mit hunderttausenden
Kilometern pro Stunde.

Sterne werden geboren, sie sterben,

und explodieren
in extravaganten Schauspielen.

Wenn wir zurück

zu unserem beschaulichen Himmel
über Chile gehen würden

und die Zeit voranschreiten ließen,

um zu sehen, wie sich der Himmel
im nächsten Jahr verändert,

werden Sie Lichtimpulse sehen,

sogenannte Supernovae, die letzten
Überreste eines sterbenden Sterns,

die explodieren, aufleuchten
und dann verblassen.

Jede dieser Supernovae

ist fünf Milliarden mal so hell
wie unsere Sonne,

weshalb wir sie
über große Entfernungen,

aber nur für sehr kurze Zeit sehen.

Zehn Supernovae pro Sekunde
explodieren irgendwo

in unserem Universum.

Wenn wir das hören könnten,

würde es sich so anhören wie
das Aufpoppen einer Tüte Popcorn.

Wenn wir die Supernovae
beiseite lassen,

verändert sich nicht nur die Helligkeit.

Unser Himmel ist ständig in Bewegung.

Diese Schwärme von Objekten,
die Sie über den Himmel ziehen sehen,

sind Asteroiden, wie sie
unsere Sonne umkreisen

und es sind diese Veränderungen

und die Bewegung
sowie die Dynamik des Systems,

mit denen wir Modelle
unseres Universums erstellen,

um seine Zukunft vorherzusagen
und seine Vergangenheit zu erklären.

Aber die Teleskope, die wir
im letzten Jahrzehnt benutzt haben,

sind nicht dafür gebaut,
Daten diesen Umfangs zu erfassen.

Das Hubble-Weltraumteleskop hat

in den letzten 25 Jahren

einige der detailliertesten Ansichten

unseres Universums produziert,

aber um damit ein Bild

des gesamten Himmels zu machen,
bräuchte man 13 Millionen einzelne Fotos

und etwa 120 Jahre
für einen einzigen solchen Vorgang.

Das erfordert neue Technologien

und neue Teleskope;

Teleskope, die blasse Objekte

im entfernten Universum sehen,

aber auch Teleskope
mit großen Bildwinkeln,

die den Himmel so schnell
wie möglich aufnehmen können,

Teleskope wie das
Large Synoptic Survey Telescope,

auch LSST genannt,

dem wahrscheinlich
langweiligsten Namen überhaupt

für eines der faszinierendsten Experimente

in der Geschichte der Astronomie,

und außerdem Beweis dafür,

dass man einem Wissenschaftler
oder einem Ingenieur

nie erlauben sollte, etwas zu benennen,
nicht mal Ihre Kinder. (Lachen)

Wir bauen das LSST.

Wir erwarten, dass es zum Ende
dieses Jahrzehnts erste Daten sammelt.

Ich zeige Ihnen, wie es vermutlich

unsere Sicht auf
das Universum verändern wird,

denn ein Bild des LSST

entspricht 3 000 Bildern

des Hubble-Weltraumteleskops,

jedes Bild erfasst
dreieinhalb Grad des Himmels,

die siebenfache Breite des Vollmonds.

Aber wie nimmt man ein
Bild dieser Größe auf?

Man baut die größte
Digitalkamera der Geschichte,

mit der Technologie, die Sie auch
in Ihren Handykameras

oder in den Digitalkameras
im Geschäft finden,

nur mit einem Durchmesser
von gut eineinhalb Metern,

etwa so groß wie ein VW Käfer,

und einem Bild, das aus drei
Milliarden Pixeln besteht.

Wenn man sich

ein einziges Bild des LSST
in voller Auflösung ansehen wollte,

bräuchte man etwa 1 500
HD-Fernsehbildschirme.

Diese Kamera wird den Himmel abbilden,

indem sie alle zwanzig Sekunden
ein neues Bild macht

und den Himmel ununterbrochen scannt,

damit wir alle drei Nächte
ein komplett neues Bild

des Himmels über Chile erhalten.

Während der gesamten Einsatzzeit
des Teleskops

wird es 40 Milliarden Sterne
und Galaxien entdecken

und das bedeutet, dass wir erstmals

mehr Objekte im Universum
gefunden haben werden

als es Menschen auf der Erde gibt.

Man kann darüber

in Form von Terabytes und Petabytes

und Milliarden von Objekten reden,

aber um ein Gefühl
für die Datenmenge zu bekommen,

die diese Kamera liefern wird:

Es ist, als würde man jeden TED-Talk,
der je aufgenommen wurde,

gleichzeitig 24 Stunden täglich abspielen,

sieben Tage die Woche, zehn Jahre lang.

Diese Daten zu verarbeiten bedeutet,

all diese Talks
nach sämtlichen neuen Ideen

und Konzepten zu durchsuchen,

sich jeden Teil des Videos anzusehen,

um den Unterschied
zwischen einem Standbild

und dem nächsten festzustellen.

Das verändert die Art,
wie wir Wissenschaft

und Astronomie betreiben,
hin zu einem Punkt,

an dem Software und Algorithmen

sich durch diese Daten arbeiten müssen,

sodass die Software für die
Wissenschaft genauso wichtig ist

wie die Teleskope und die Kameras,
die wir gebaut haben.

Dieses Projekt wird

für tausende Entdeckungen sorgen,

aber ich möchte Ihnen

nur zwei Konzepte von Ursprüngen
und Evolution zeigen,

die sich durch unseren Zugang

zu solchen Datenmengen
grundlegend verändern könnten.

In den letzten fünf Jahren hat die NASA

über 1 000 Planetensysteme

um nahe gelegene Sterne entdeckt,

aber die gefundenen Systeme

haben mit unserem Sonnensystem
wenig gemein.

Da stellt sich die Frage,

ob wir einfach nicht gut genug
gesucht haben

oder die Entstehung unseres Systems

etwas Besonderes
oder Ungewöhnliches hatte.

Wenn wir diese Frage
beantworten wollen,

müssen wir die Geschichte
unseres Sonnensystems

im Detail verstehen

und es sind die Details,
die wichtig sind.

Wenn wir jetzt wieder den Himmel

und die Asteroiden betrachten,
die über den Himmel ziehen --

Diese Asteroiden sind so etwas wie
Trümmerteile unseres Sonnensystems.

Die Positionen der Asteroiden

sind wie Fingerabdrücke
einer früheren Zeit,

als die Umlaufbahnen
von Neptun und Jupiter

viel näher an der Sonne waren.

Als diese Riesenplaneten
durch unser Sonnensystem wanderten,

haben sie die Asteroiden
in ihrem Sog verstreut.

Die Asteroiden zu untersuchen

ist wie Forensik an unserem
Sonnensystem zu betreiben.

Dazu brauchen wir die Distanzen

und diese ergeben sich
aus der Bewegung

und die Bewegung erschließt sich
durch unseren Zugang zur Zeit.

Aber was sagt uns das?

Wenn man die kleinen
gelben Asteroiden ansieht,

die über den Bildschirm flitzen:

Diese Asteroiden bewegen
sich am schnellsten,

weil sie unserer Erde am nächsten sind.

Zu diesen Asteroiden

könnten wir eines Tages Raumschiffe
schicken, um Minerale abzubauen,

aber dieselben Asteroiden
könnten eines Tages

auf der Erde einschlagen,

wie vor 60 Millionen Jahren,

als die Dinosaurier ausstarben;

oder zu Beginn des letzten Jahrhunderts,

als ein Asteroid

über 2 500 Quadratkilometer
sibirischen Wald ausradiert hat;

oder gerade letztes Jahr,
als einer über Russland verglühte

und dabei die Energie einer
kleinen Atombombe freisetzte.

Die Spuren unseres Sonnensystems

künden nicht nur von der Vergangenheit,

sondern auch von der Zukunft --
die unsere eingeschlossen.

Wenn wir die Entfernungen kennen,

können wir die Asteroiden in
ihrer natürlichen Umgebung

im Orbit um die Sonne sehen.

Jeder Punkt in dieser Darstellung,
die Sie hier sehen

ist ein echter Asteroid,

Seine Umlaufbahn wurde aus seiner Bewegung
über den Himmel berechnet.

Die Farben zeigen
die Zusammensetzung dieser Asteroiden:

trocken und steinig im Zentrum,

wasserreich und primitiv im Randbereich;

wasserreiche Asteroiden,

die das Wasser unserer Ozeane und Meere
auf den Planeten gebracht haben könnten,

als sie früher die Erde bombardiert haben.

Weil das LSST auch blasse Objekte erkennt

und nicht nur weitwinklig ist,

werden wir Asteroiden

weit über das Innere unseres
Sonnensystems hinaus sehen können,

bis hin zu Asteroiden jenseits der
Umlaufbahnen von Neptun und Mars,

bis hin zu Kometen und Asteroiden,

die fast ein Lichtjahr von unserer
Sonne entfernt existieren könnten.

Indem wir dieses Bild

um das Zehn- bis Hundertfache vergrößern,

werden wir Fragen beantworten können

wie z. B. ob es Beweise für Planeten
außerhalb von Neptuns Orbit gibt,

um Asteroiden mit Kurs auf die Erde
finden zu können,

lange bevor sie eine Gefahr sind

und herausfinden, ob unsere Sonne

sich alleine oder
in einem Sternhaufen gebildet hat.

Vielleicht sind es diese
Sternengeschwister der Sonne,

die die Entstehung unseres
Sonnensystems beeinflusst haben;

vielleicht sind deshalb Sonnensysteme
wie unseres scheinbar so selten.

Nun zu Entfernungen und Veränderungen
in unserem Universum:

Entfernung ist gleich Zeit,

genau wie Veränderungen am Himmel.

Mit jedem Meter, den man
in die Ferne sieht

oder mit jedem Meter Entfernung
eines Objekts

schaut man etwa eine Milliardstelsekunde
in die Vergangenheit

und diese Vorstellung
eines Blicks in die Vergangenheit

hat unsere Vorstellung des
Universums revolutioniert,

und zwar nicht nur
einmal sondern mehrfach.

Das erste Mal 1929,

als der Astronom Edwin Hubble
gezeigt hat,

dass sich das Universum ausdehnt,

was zur Theorie des Urknalls führte.

Die Beobachtungen waren einfach:

nur 24 Galaxien

und ein handgezeichnetes Bild.

Aber allein der Gedanke, dass eine Galaxie
umso schneller entschwindet,

je weiter sie entfernt ist, reichte aus,

um die moderne Kosmologie
entstehen zu lassen.

Eine zweite Revolution
passierte 70 Jahre später,

als zwei Gruppen von Astronomen zeigten,

dass sich das Universum
nicht nur ausbreitete,

sondern auch beschleunigte.

Eine Überraschung, als würde man
einen Ball in den Himmel werfen

und merken, dass er sich
immer schneller weg bewegt,

je höher er kommt.

Und sie zeigten das,

indem sie die Helligkeit
von Supernovae maßen

und wie die Helligkeit

mit zunehmender Entfernung nachließ.

Diese Beobachtungen waren komplexer

und erforderten
neue Technologien und Teleskope,

da die Supernovae sich
in Galaxien befanden,

die 2000-mal weiter entfernt waren

als diejenigen, auf die Hubble sich bezog.

Es dauerte drei Jahre,
um gerade mal 42 Supernovae zu finden,

weil die Explosion einer Supernova

nur alle hundert Jahre in
einer Galaxie vorkommt.

Drei Jahre um 42 Supernovae zu finden,

indem man Zehntausende
von Galaxien durchsucht.

Als sie ihre Daten gesammelt hatten,

kamen sie zu diesem Ergebnis.

Das mag nicht beeindruckend aussehen,

aber so sieht eine
Revolution in der Physik aus:

eine Linie, die die Helligkeit
einer Supernova,

11 Milliarden Lichtjahre entfernt,
vorhersagt

und eine Handvoll Punkte,
die nicht ganz mit ihr übereinstimmen.

Kleine Veränderungen
haben große Konsequenzen.

Kleine Veränderungen
ermöglichen uns Entdeckungen,

wie etwa den von
Herschel gefundenen Planeten.

Kleine Veränderungen
stellen unser Verständnis

des Universums auf den Kopf.

42 Supernovae, etwas zu blass,

also etwas weiter entfernt,

woraus folgt, dass sich das
Universum nicht nur ausdehnt,

sondern sich dabei
auch beschleunigen muss,

enthüllen einen Bestandteil
des Universums,

den wir heute Dunkle Energie nennen;

ein Bestandteil,
der diese Ausdehnung vorantreibt

und heute 68 Prozent des Energiehaushaltes

unseres Universums ausmacht.

Was ist vermutlich
die nächste Revolution?

Nun, was ist Dunkle Energie
und warum existiert sie?

Jede dieser Linien
zeigt ein anderes Modell,

was Dunkle Energie sein könnte.

Sie zeigen die Eigenschaften
der Dunklen Energie.

Sie stimmen alle mit
den 42 Punkten überein,

aber die Konzepte hinter diesen Linien

sind vollkommen unterschiedlich.

Manche Leute denken
an eine Dunkle Energie,

die sich mit der Zeit ändert,

oder dass ihre Eigenschaften
sich vielleicht unterscheiden,

je nachdem, wohin man
am Himmel schaut.

Andere hinterfragen die Physik

auf der subatomaren Ebene

oder schauen es sich
im großen Maßstab an und hinterfragen

die Funktionsweise der Schwerkraft
und allgemeinen Relativitätstheorie.

Oder sie sagen, unser Universum
sei nur eines von vielen

und Teil eines rätselhaften Multiversums.

Aber all diese Ideen und Theorien,

fantastisch und manche
zugegebenermaßen etwas verrückt,

stimmen alle
mit diesen 42 Punkten überein.

Wie können wir das innerhalb

der nächsten zehn Jahre verstehen?

Stellen Sie sich vor,
ich gäbe Ihnen ein Paar Würfel

und Sie sollten herausfinden,

ob diese Würfel
gezinkt sind oder nicht.

Ein einziger Wurf würde
Ihnen sehr wenig verraten,

aber je öfter Sie sie würfeln,

je mehr Daten Sie sammeln,

desto sicherer wüssten Sie nicht nur,

ob sie gezinkt sind oder nicht,

sondern auch, wie sehr
und auf welche Art und Weise.

Es dauerte drei Jahre um gerade
mal 42 Supernovae zu finden,

weil die Teleskope, die wir gebaut haben,

nur einen kleinen Teil des
Himmels beobachten konnten.

Mit dem LSST erhalten wir alle drei Nächte

ein komplettes neues Bild
des Himmels über Chile.

In der ersten Nacht

wird es zehnmal so
viele Supernovae finden,

wie bei der Entdeckung der
Dunklen Energie einbezogen wurden.

Das wird sich innerhalb

der ersten vier Monate vertausendfachen:

1,5 Millionen Supernovae
bis zum Ende der Studie.

Jede Supernova ist ein Würfelwurf

und mit jeder Supernova wird deutlicher,
welche Theorien zur Dunklen Energie

stimmig sind und welche nicht.

Indem wir diese Supernova-Daten

mit anderen Messgrößen der
Kosmologie kombinieren,

werden wir schrittweise die
verschiedenen Ideen und Theorien

zur Dunklen Energie verwerfen,

sodass sich zum Ende dieser Studie,
um das Jahr 2030,

das ist zumindest unsere Hoffnung,

eine Theorie für unser Universum,

eine fundamentale Theorie
für die Physik unseres Universums

herauskristallisiert hat.

In vielfacher Hinsicht sind die Fragen,
die ich gestellt habe,

sehr einfache Fragen.

Vielleicht kennen wir die Antworten nicht,

aber immerhin wissen wir,
wie man die Fragen stellt.

Aber wenn wir beim Durchsuchen
von zehntausenden Galaxien

auf 42 Supernovae gestoßen sind,

die unser Verständnis des Universums
auf den Kopf gestellt haben,

wie viel öfter werden wir
dann 42 Punkte finden,

die nicht ganz erwartungsgemäß sind,

wenn wir mit Milliarden
von Galaxien arbeiten?

Wie der von Herschel gefundene Planet

oder die Dunkle Energie

oder die Quantenmechanik
oder die allgemeine Relativitätstheorie,

all diese Ideen sind dadurch entstanden,

dass Messwerte unseren Erwartungen
nicht ganz entsprochen haben.

Das Aufregende am nächsten
Jahrzehnt der Daten

in der Astronomie ist,

dass wir nicht wissen,
wie viele Antworten

uns da draußen erwarten;

Antworten über unsere Herkunft
und Evolution.

Wie viele Antworten

gibt es da draußen,
zu denen wir nicht einmal

die Fragen wissen?

Dankeschön.

(Applaus)