Euclid gewährt erste Einblicke in die Tiefen des Universums

Die deut­schen Mit­glie­der des Euclid-Kon­sor­ti­ums haben maß­geb­lich zur Erstel­lung des ers­ten gro­ßen Daten­sat­zes der Mis­si­on bei­getra­gen, den die Euro­päi­sche Welt­raum­or­ga­ni­sa­ti­on ESA nun ver­öf­fent­licht hat. Die Daten umfas­sen beein­dru­cken­de Auf­nah­men tie­fer Him­mels­fel­der mit ins­ge­samt 26 Mil­lio­nen Gala­xien. Bei vie­len sind feins­te Struk­tu­ren zu sehen. Zudem wur­den die Form und Ent­fer­nung von über 380.000 Gala­xien bestimmt. Doch die­ser ein­drucks­vol­le Mei­len­stein ist erst der Auf­takt zu den bahn­bre­chen­den Erkennt­nis­sen, die in den kom­men­den Jah­ren fol­gen werden.

Die Daten decken ein rie­si­ges Him­mels­ge­biet durch drei Bil­der ab, die jeweils aus Ein­zel­auf­nah­men bestehen. Sie beinhal­ten zahl­rei­che Gala­xien­hau­fen, akti­ve galak­ti­sche Ker­ne und ver­än­der­li­che Phä­no­me­ne. Die­se ers­ten Durch­mus­te­rungs­da­ten sind eine wah­re Fund­gru­be an Infor­ma­tio­nen für For­schen­de, die damit eini­ge der fas­zi­nie­rends­ten Fra­gen der moder­nen Wis­sen­schaft ange­hen kön­nen. Mit Euclid kön­nen Astro­nom­in­nen und Astro­no­men die kos­mi­sche Geschich­te und die unsicht­ba­ren Kräf­te erfor­schen, die das Uni­ver­sum formen.

Euclid ist ein Welt­raum­te­le­skop mit einem außer­ge­wöhn­lich gro­ßen Gesichts­feld, das in einer ein­zi­gen Auf­nah­me einen 240-mal grö­ße­ren Bereich erfasst als das Hub­ble-Tele­skop. Es lie­fert zudem eine her­vor­ra­gen­de Bild­qua­li­tät sowohl im sicht­ba­ren als auch im infra­ro­ten Lichtspektrum.

Entscheidende Beiträge aus Deutschland

Beson­ders beein­druckt Euclid mit sei­nen Eigen­schaf­ten bei der Beob­ach­tung im Infra­rot­licht. Das Max-Planck-Insti­tut für extra­ter­res­tri­sche Phy­sik (MPE) in Gar­ching bei Mün­chen und das Max-Planck-Insti­tut für Astro­no­mie (MPIA) in Hei­del­berg lie­fer­ten für die­sen Bereich ent­schei­den­de Kom­po­nen­ten. Das Infra­rot­licht durch­läuft vier Lin­sen, ein Fil­ter und einen Strahl­tei­ler. Den­noch erzielt Euclid einen außer­or­dent­lich hohen Kon­trast. „Die Anfor­de­run­gen an die Ver­mei­dung von Geis­ter­bil­dern wer­den um das Hun­dert­fa­che über­trof­fen. Das opti­sche Design und die prä­zi­se Aus­füh­rung der Optik durch das MPE und das MPIA set­zen neue Maß­stä­be für Bild­schär­fe und Kon­trast“, sagt Frank Grupp, der die Ent­wick­lung der Nahin­fra­rot-Optik am MPE leitete.

Fer­ner trägt das MPE zur Erfor­schung der Gala­xien­ent­wick­lung bei. „Wir haben einen Kata­log mit über 70.000 spek­tro­sko­pi­schen Rot­ver­schie­bun­gen aus ver­schie­de­nen Him­mels­durch­mus­te­run­gen zusam­men­ge­stellt und mit den Euclid-Daten ver­knüpft“, erklärt Chris­toph Sauld­er, der die­sen Teil des Pro­jekts lei­te­te. „Damit las­sen sich die Ent­fer­nun­gen prä­zi­se bestim­men und zahl­rei­che Gala­xien sowie Qua­sa­re in den hoch­auf­ge­lös­ten Euclid-Bil­dern ein­deu­tig iden­ti­fi­zie­ren. Der Kata­log bil­det eine wich­ti­ge Grund­la­ge, um die­se Objek­te, ihre Ver­tei­lung und ihre Eigen­schaf­ten bes­ser zu verstehen.“

„Wir ver­wen­den die neu­en Daten, um die Tech­ni­ken zur Mes­sung der opti­schen Ver­zer­rung auf kos­mi­schen Ska­len und zur Kali­brie­rung der Rot­ver­schie­bung zu tes­ten. Die­se Metho­den wen­den wir spä­ter auf die viel grö­ße­ren Euclid-Daten­sät­ze an, um das wich­tigs­te wis­sen­schaft­li­che Ziel zu errei­chen – die Prä­zi­si­ons­mes­sung der dunk­len Ener­gie“, sagt Hen­drik Hil­de­brandt von der Ruhr-Uni­ver­si­tät Bochum. Er lei­tet das Schlüs­sel­pro­jekt zur Mes­sung der kos­mi­schen Sche­rung und die Arbeits­grup­pe zur Kali­brie­rung der Rotverschiebung.

Wei­ter­hin haben For­schen­de der Lud­wig-Maxi­mi­li­ans-Uni­ver­si­tät (LMU) in Mün­chen Metho­den zur Iden­ti­fi­zie­rung und Cha­rak­te­ri­sie­rung von Gala­xien­über­dich­ten getes­tet, ein ent­schei­den­der Schritt bei der Rekon­struk­ti­on der groß­räu­mi­gen Struk­tur des Uni­ver­sums. „Unse­re Metho­den zur Auf­spü­rung von Gala­xien­hau­fen sind der Schlüs­sel zur voll­stän­di­gen Aus­wer­tung von Euclids rie­si­gen Daten­men­gen. Sie ver­bes­sern die Iden­ti­fi­zie­rung von Hau­fen und tra­gen zu einem tie­fe­ren Ver­ständ­nis der kos­mi­schen Struk­tur­bil­dung bei. Gleich­zei­tig hel­fen sie, bis­her uner­forsch­te Berei­che im nahen Infra­rot mit einer sta­tis­tisch signi­fi­kan­ten Aus­wahl von Objek­ten zu erkun­den“, sagt LMU-Wis­sen­schaft­le­rin Bar­ba­ra Sartoris.

Bei zahl­rei­chen Euclid-Stu­di­en spie­len auch die Wis­sen­schaft­ler des MPIA eine füh­ren­de Rol­le. Sie nut­zen die Daten, um das Wachs­tum super­mas­se­rei­cher Schwar­zer Löcher zu erfor­schen, grund­le­gen­de Fra­gen zur Ent­wick­lung von Gala­xien zu beant­wor­ten und prä­zi­se Hel­lig­keits­mes­sun­gen von zeit­lich varia­blen Him­mels­ob­jek­ten durchzuführen.

Dem kosmischen Netz in Euclids tiefen Feldern auf der Spur

Euclid hat die drei Gebie­te am Him­mel unter­sucht, die schließ­lich die tiefs­ten Beob­ach­tun­gen sei­ner Mis­si­on lie­fern wer­den. Nach nur einer Woche und ledig­lich einer Abde­ckung pro Regi­on hat Euclid bereits 26 Mil­lio­nen Gala­xien ent­deckt. Die wei­tes­ten von ihnen sind bis zu 10,5 Mil­li­ar­den Licht­jah­re ent­fernt. Die Fel­der erstre­cken sich über eine Flä­che, die mehr als dem 300-fachen des Voll­monds entspricht.

Für die Erfor­schung der kos­mi­schen Geheim­nis­se ver­misst Euclid mit sei­ner hoch­auf­lö­sen­den Kame­ra für das sicht­ba­re Licht (VIS) prä­zi­se die ver­schie­de­nen For­men und die Ver­tei­lung von Mil­li­ar­den von Gala­xien. Das Nahin­fra­rot-Instru­ment (NISP) ist dage­gen für die Bestim­mung von Gala­xien­ent­fer­nun­gen und ‑mas­sen unerlässlich.

Das MPE war für den Ent­wurf und die Kon­struk­ti­on der Nahin­fra­rot-Optik des NISP ver­ant­wort­lich. Ent­schei­den­de Auf­ga­ben bei der Kali­brie­rung von NISP über­nimmt wie­der­um das MPIA. „Inge­nieu­re und Wis­sen­schaft­le­rin­nen des MPIA ent­wi­ckeln und pfle­gen den gesam­ten Kali­brie­rungs­plan der Mis­si­on, kali­brie­ren und über­wa­chen die Nahin­fra­rot­ka­me­ra NISP wis­sen­schaft­lich, füh­ren Simu­la­tio­nen durch und füh­ren fort­lau­fend tech­ni­sche Ana­ly­sen des Instru­ments durch“, sagt Mischa Schirm­er vom MPIA. Er ist der Kali­bra­ti­ons­wis­sen­schaft­ler der Euclid-Mis­si­on und des NISP-Instruments.

Die neu­en Bil­der sind ein Zeug­nis für die­se Bemü­hun­gen und zei­gen, dass Euclid in der Lage ist, Hun­dert­tau­sen­de von Gala­xien zu kar­tie­ren. Die Auf­nah­men geben ers­te Hin­wei­se auf die groß­räu­mi­ge Ver­tei­lung die­ser Gala­xien im kos­mi­schen Netz.

Datenverarbeitung und Objektklassifizierung

Euclid wird über einen Zeit­raum von sechs Jah­ren Bil­der von mehr als 1,5 Mil­li­ar­den Gala­xien auf­neh­men und täg­lich etwa 100 GB an Daten zurück­sen­den. Ein solch beein­dru­ckend gro­ßer Daten­satz eröff­net unglaub­li­che Ent­de­ckungs­mög­lich­kei­ten, stellt uns aber auch vor enor­me Herausforderungen.

Das Euclid-Kon­sor­ti­um hat ein euro­päi­sches Netz von neun Daten­zen­tren auf­ge­baut, dar­un­ter das deut­sche Wis­sen­schafts­da­ten­zen­trum (SDC-DE) am MPE. Es ist mit 7.000 Pro­zes­so­ren aus­ge­stat­tet und ver­ar­bei­tet 10 % der von Euclid auf­ge­nom­me­nen Daten. Ein Team von min­des­tens zehn Exper­ten sorgt für eine rei­bungs­lo­se und kon­sis­ten­te Ver­ar­bei­tung der astro­no­mi­schen Bild­da­ten. Max Fabri­ci­us vom MPE, der das SDC-DE lei­tet, sagt: „Täg­lich wer­den etwa 100 GB an Roh­da­ten prak­tisch in Echt­zeit ver­ar­bei­tet. Die Anfor­de­run­gen an die foto­me­tri­sche Prä­zi­si­on sind enorm und erfor­dern einen gänz­lich neu­en Ansatz bei den Metho­den zur Kali­brie­rung der Daten.“

Die Suche, Ana­ly­se und Kata­lo­gi­sie­rung von Gala­xien erfor­dert leis­tungs­fä­hi­ge Algo­rith­men des maschi­nel­len Ler­nens – kom­bi­niert mit der Unter­stüt­zung Tau­sen­der Frei­wil­li­ger und Exper­ten aus der Bür­ger­wis­sen­schaft. Nur so lässt sich der rie­si­ge Daten­satz von Euclid umfas­send aus­wer­ten. Ein wich­ti­ger Mei­len­stein die­ser Arbeit ist der ers­te detail­lier­te Kata­log von mehr als 380.000 Gala­xien. Sie wur­den anhand cha­rak­te­ris­ti­scher Merk­ma­le wie Spi­ral­ar­men, zen­tra­len Bal­ken und Gezei­ten­schwei­fen klas­si­fi­ziert, die auf ver­schmel­zen­de Gala­xien hinweisen.

Die­ser ers­te, heu­te ver­öf­fent­lich­te Kata­log beinhal­tet nur 0,4 % der Gala­xien, die mit ähn­li­cher Auf­lö­sung vor­aus­sicht­lich wäh­rend Euclids Mis­si­ons­dau­er auf­ge­nom­men wer­den. Der end­gül­ti­ge Kata­log wird die detail­lier­te Gestalt von min­des­tens einer Grö­ßen­ord­nung mehr Gala­xien zei­gen, als jemals zuvor gesam­melt wur­de. Er trägt dazu bei zu ermit­teln, wie sich Spi­ral­ar­me bil­den und super­mas­se­rei­che Schwar­ze Löcher wachsen.

Entdeckungsmaschine für Gravitationslinsen

Licht, das von weit ent­fern­ten Gala­xien auf uns zukommt, wird durch nor­ma­le und dunk­le Mate­rie im Vor­der­grund abge­lenkt und ver­zerrt. Die­ser Effekt wird Gra­vi­ta­ti­ons­lin­sen­ef­fekt genannt und ist eines von Euclids Werk­zeu­gen, um die Ver­tei­lung der dunk­len Mate­rie im Uni­ver­sum zu erfas­sen. Bei deut­lich sicht­ba­ren Ver­zer­run­gen spricht man vom „star­ken Lin­sen­ef­fekt“, was zu Merk­ma­len wie Ein­stein­rin­gen, Bögen und Mehr­fach­bil­dern füh­ren kann.

Heu­te wird ein ers­ter Kata­log mit 500 fast aus­nahms­los neu­en Kan­di­da­ten für star­ke Lin­sen­ef­fek­te zwi­schen Gala­xien ver­öf­fent­licht. MPIA-Wis­sen­schaft­ler waren an der Klas­si­fi­zie­rung von Gra­vi­ta­ti­ons­lin­sen betei­ligt, die als Input für maschi­nel­les Ler­nen dien­ten. Sie kenn­zeich­ne­ten Bil­der ent­spre­chend ihrer Wahr­schein­lich­keit, dass es sich um Gra­vi­ta­ti­ons­lin­sen han­delt. „Die KI-Sys­te­me wer­den letzt­lich für die Aus­wer­tung des 200-mal grö­ße­ren Him­mels­be­reichs am Ende der Mis­si­on uner­läss­lich sein. Die Zahl der durch den Lin­sen­ef­fekt ver­zerr­ten Gala­xien wird schließ­lich auf erstaun­li­che 100.000 anstei­gen, etwa 100 Mal mehr als der­zeit bekannt. Eine Klas­si­fi­ka­ti­on von Ein­zel­ob­jek­ten durch den Men­schen wird für die­sen bei­spiel­lo­sen Daten­satz nicht mög­lich sein“, betont Knud Jahn­ke vom MPIA. Er ist der lei­ten­de Wis­sen­schaft­ler des NISP-Instruments.

Euclid wird auch „schwa­che“ Lin­sen­ef­fek­te mes­sen. Die­se ent­ste­hen, wenn die Ver­zer­run­gen der Hin­ter­grund­quel­len viel gerin­ger sind. Sol­che sub­ti­len Ver­zer­run­gen las­sen sich nur durch die sta­tis­ti­sche Aus­wer­tung einer gro­ßen Anzahl von Gala­xien nach­wei­sen. In den kom­men­den Jah­ren wird Euclid die For­men von Mil­li­ar­den von Gala­xien über einen Zeit­raum von 10 Mil­li­ar­den Jah­ren kos­mi­scher Geschich­te mes­sen und so einen 3D-Blick auf die Ver­tei­lung der dunk­len Mate­rie in unse­rem Uni­ver­sum ermöglichen.

Hintergrundinformationen

Bis zum 19. März 2025 hat Euclid etwa 2000 Qua­drat­grad beob­ach­tet, was etwa 14 % der gesam­ten geplan­ten Abde­ckung ent­spricht. Die drei tie­fen Fel­der umfas­sen zusam­men 63,1 Quadratgrad.

Die soge­nann­ten „Quick Releases“ von Euclid, wie die Ver­öf­fent­li­chung vom 19. März, kon­zen­trie­ren sich auf aus­ge­wähl­te Berei­che und die­nen der Vor­stel­lung der erwar­te­ten Daten­pro­duk­te künf­ti­ger, umfas­sen­de­rer Ver­öf­fent­li­chun­gen. Sie ermög­li­chen es For­schen­den, ihre Ana­ly­se­tools früh­zei­tig zu tes­ten und zu opti­mie­ren. Die ers­ten kos­mo­lo­gi­schen Daten der Mis­si­on wer­den im Okto­ber 2026 öffent­lich zugäng­lich sein. Die­se Ver­öf­fent­li­chung umfasst auch Daten aus zusätz­li­chen, mehr­fa­chen Beob­ach­tun­gen der tie­fen Felder.

Die Daten­ver­öf­fent­li­chung vom 19. März 2025 wird in meh­re­ren wis­sen­schaft­li­chen Arti­keln beschrie­ben, die bis­lang nicht den Peer-Review-Pro­zess durch­lau­fen haben, aber bei der Zeit­schrift Astro­no­my & Astro­phy­sics ein­ge­reicht werden.

Die Uni­ver­si­tät Bonn beher­bergt das Euclid Publi­ca­ti­on Office, in dem die wis­sen­schaft­li­chen Ver­öf­fent­li­chun­gen des Euclid-Kon­sor­ti­ums koor­di­niert und begut­ach­tet werden.

Über Euclid

Euclid wur­de im Juli 2023 gestar­tet und begann am 14. Febru­ar 2024 mit sei­nen rou­ti­ne­mä­ßi­gen wis­sen­schaft­li­chen Beob­ach­tun­gen. Es han­delt sich um eine euro­päi­sche Mis­si­on, die von der Euro­päi­schen Welt­raum­or­ga­ni­sa­ti­on (ESA) gebaut wur­de und betrie­ben wird, mit Bei­trä­gen ihrer Mit­glieds­staa­ten und der NASA. Das Euclid-Kon­sor­ti­um – bestehend aus mehr als 2000 Wis­sen­schaft­lern aus 300 Insti­tu­ten in 15 euro­päi­schen Län­dern, den USA, Kana­da und Japan – ist für die Bereit­stel­lung der wis­sen­schaft­li­chen Instru­men­te und die wis­sen­schaft­li­che Daten­ana­ly­se ver­ant­wort­lich. Die ESA wähl­te Tha­les Ale­nia Space als Haupt­auf­trag­neh­mer für den Bau des Satel­li­ten und sei­nes Ser­vice­mo­duls aus, wäh­rend Air­bus Defence and Space mit der Ent­wick­lung des Nutz­last­mo­duls, ein­schließ­lich des Tele­skops, beauf­tragt wur­de. Die NASA stell­te die Detek­to­ren des Nahin­fra­rot-Spek­tro­me­ters und ‑Pho­to­me­ters (NISP) zur Ver­fü­gung. Euclid ist eine Mit­tel­klas­se-Mis­si­on im Rah­men des Cos­mic Visi­on Pro­gramms der ESA.

Aus Deutsch­land sind das Max-Planck-Insti­tut für Astro­no­mie in Hei­del­berg, das Max-Planck-Insti­tut für extra­ter­res­tri­sche Phy­sik in Gar­ching, die Lud­wig-Maxi­mi­li­ans-Uni­ver­si­tät Mün­chen, die Uni­ver­si­tät Bonn, die Ruhr-Uni­ver­si­tät Bochum, die Uni­ver­si­tät Bie­le­feld und die Deut­sche Raum­fahrt­agen­tur im Deut­schen Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR) in Bonn am Euclid-Pro­jekt beteiligt.

Die Deut­sche Raum­fahrt-Agen­tur im DLR koor­di­niert die deut­schen ESA-Bei­trä­ge und för­dert die betei­lig­ten deut­schen For­schungs­in­sti­tu­te mit 60 Mil­lio­nen Euro aus dem Natio­na­len Raum­fahrt­pro­gramm. Mit rund 21 % ist Deutsch­land der wich­tigs­te Bei­trags­zah­ler zum Wis­sen­schafts­pro­gramm der ESA.

MN

Link zur Pres­se­mit­tei­lung des MPIA